数据通信

 

――数据通信

 

1、数据通信的概念

2、通信的基本方式

3、数据传输的形式

4、多路复用技术

5、数据交换

一、数据通信

通信最早可以追溯到2500年前古代的“烽火戏诸侯”，人们通过烽火台来传递军情，夜晚点火或白天点狼烟(“1”信号)表示敌人入侵，无烟或无火时(“0”信号)表示平安无事。另外，海军的旗语、手持镜子反射太阳光的有无等都可以看作是通信的最早形式。

真正意义的通信是在电的发明之后，从人们利用电信号来传递消息时起。

数据通信的概念

信息 是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;

数据 是把事件的某些属性规范化后的表现形式;

信号 是数据的具体的物理表现。

信息：人对雪花和马的认识

数据：文字，二进制数，十进制数

信号：电压，光，磁场强度

模拟信号与数字信号

 

1、数据通信的含义

数据通信是依照一定的协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递。它是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。

人类生活在信息的海洋里， 离不开信息的交流与传递。 通信就是克服距离上的障碍， 迅速而准确地交换和传递信息。 信息常以某种方式依附于物质载体， 以实现存储、 交换、 处理、 变换和传输。

2、数据通信的模式

数据通信不同于电报、电话通信，它所实现的主要是“人(通过终端)―机(计算机)”通信、“机-机”通信，但也包括“人(通过智能终端) ―人”的通信。数据通信中传递的信息均以二进制数据形式来表现。数据通信的另一个特点是，它总是与远程信息处理相联系的，是包括科学计算、过程控制、信息检索等内容的广义的信息处理。

3、通信系统的一般模型

1）信源和信宿

信源是发出信息的源， 信宿是传输信息的归宿点。

信源可以是离散的数字信源， 也可以是连续的（或离散的）模拟信源。 模拟信源（如电话机和电视摄像机）输出连续幅度的模拟信号； 离散数字信源（如电传机、 计算机）输出离散的数字信号。 数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定。 模拟信号与数字信号有明显区别， 但两者之间在一定条件下是可以互相转换的。

（2）发送设备

发送设备的基本功能是使信源与传输媒介匹配起来， 即将信源产生的信号变换为便于传送的信号形式， 送往传输媒介。 变换方式是多种多样的。 在需要频谱搬移的场合， 调制是最常见的变换方式。 发送设备还包括为达到某些特殊要求而进行的种种处理， 如多路复用、保密处理、 纠错编码处理等等。

（3）(传输媒介)

信道是指传输信号的通道，是从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介， 可以是无线的，也可以是有线的，有线的和无线的均有多种传输媒介。信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。传输媒介的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。

 

 

（4）接收设备

接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换， 即进行解调、 译码、 解码等等。 它的任务是从带有干扰的信号中正确地恢复出原始消息来， 对于多路复用信号， 还包括解除多路复用， 实现正确分路。

二、通信基本方式

并行通信与串行通信

（1）并行通信

并行通信时数据的各个位（8）同时传送，可以字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。例如，打印机和电脑之间的通信也是用并行方式。电脑的并行端口 。(LPT1)

并行通信是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高。但它比串行通信所用的电缆多，故常用在传输距离较短（几米至几十米）、数据传输率较高的场合。
实现并行通信的接口就是并行接口。
并行接口可设计为只作为输入/输出接口，也可设计为既作为输入又作为输出的接口。它可以用两种方法实现，一种是利用同一个接口中的两个通路，一个作输入通路，一个作输出通路；另一种使用同一个双向通路，既作为输入又作为输出。
（2）串行通信

串行通信时数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离可以很长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。例如电脑的串行端口 (COM1 & COM2)

 COM 1 使用的是9 针D 形连接器，也称之为RS-232接口，而COM 2 有的使用的是老式的25 针连接器，也称之为RS-422接口

串行通信是指数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

从通信双方信息的交互方式看，串行通信方式可以有以下三种：
　　①单工通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
　　②半双工通信。通信双方都可以发送（接收）信息，但不能同时双向发送。半双工通信线路简单，有两条通信线就行了，这种方式得到广泛应用。
　　③全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息，双方的发送与接收装置同时工作。全双工通信的效率最高，但控制相对复杂一些，系统造价也较高。通信线至少三条（其中一条为信号地线），或四条（无信号地线）。

单工通信不能实现双方交流信息，故在PLC网络中极少使用。而半双工及全双工通信可实现双方数据传送，故在PLC网络（根据工业实际情况制作的可编程控制器 ）中应用很多。
串行通信中，传输速率用每秒中传送的位数（位/秒）来表示，称之为比特率（bps）。常用的标准波特率有300、600、1200、2400、4800、9600和19200 bps等。

三、数据传输形式

数据传输形式主要分基带传输和宽带传输。

通信的根本任务是远距离传递信息，因而如何准确地传输数字信息是数字通信的一个重要组成部分。 在数字传输系统中， 其传输对象通常是二元数字信息，它可能是来自计算机、电传打字机或其他数字设备的各种数字代码，也可能是来自数字电话终端的脉冲编码信号。设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散波形来表示数字信息。

这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，因而称之为数字基带信号。 在某些有线信道中， 特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输；而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的调制传输（或频带传输）。

１、基带传输

基带传输则是利用数字信号以离散的电（或光）脉冲的形式传送信息。在基带传输中，整个通信线路用于传送一个数据信号，数据数字信号线缆的全部带宽，全部带宽也就组成了一个信道。基带网络上设备传送信息是双向的，可以同时进行接收和发送。

基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 

基带传输的特点

由计算机或终端产生的数字信号，频谱都是从零开始的，这种未经调制的信号所占用的频率范围叫基本频带（这个频带从直流起可高到数百千赫，甚至若干兆赫），简称基带（base band）。这种数字信号就称基带信号。

例如：在有线信道中，直接用电传打字机进行通信时传输的信号就是基带信号。而传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入线路，称为基带传输。基带传输不需要调制解调器，设备化费小，适合短距离的数据输，比如一个企业、工厂，就可以采用这种方式将大量终端连接到主计算机。另外就是传输介质，局域网中一般都采用基带同轴电缆作传输介质。

２、宽带传输

宽带是指在同一传输介质上，使用特殊的技术或者设备，可以利用不同的频道进行多重（并行）传输，并且速率在256Kbps以上，至于到底多少速率以上算作宽带，目前没有国际标准，有人说大于56K就是宽带，有人说1Mbps以上才算宽带，这里我们按照约定俗成和网络多媒体视频数据量来考量为256K。因此与传统的互联网接入技术相比，宽带接入技术最大的优势就是其带宽速率远远超过56Kbps拨号。

宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 

宽带传输特点

所谓宽带，就是指比音频（4KHZ）带宽还要宽的频带，使用这种宽频带进行传输的系统就称为宽带传输系统，它可以容纳所有的广播，并且还可以进行高速率的数据传输。对于局域网而言，宽带这个术语专门用于使用传输模拟信号的同轴电缆，可见宽带传输系统是模拟信号传输系统，它允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务。基带和宽带的区别还在于数据传输速率不同。基带数据传输速率为0～10 Mb／s，更典型的是1Mb／s～2.5Mb／s，通常用于传输数字信息。宽带是传输模拟信号，数据传输速率范围为0～400Mb／s，而通常使用的传输速率是5Mb／s～10 Mb／s，而且一个宽带信道可以被划分为多个逻辑基带信道。这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在一个物理信道中进行。

例如：聊天和在线看电影同时的进行。

四、多路复用技术

复用技术是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输且不互相干扰的技术。例如，在电话系统中，传输的语音信号的频率范围为300～3400 HZ，为了使若干路语音信号能在同一信道上同时传输，可以将它们的频谱调制到不同的频段上，合并在一起进行传输，在接收端再将彼此分离开来。而且，当前的通信内容已不再是单纯的语音，越来越多的是多媒体信息，通信容量日趋膨胀，为了提高信道利用率，增大信道的传输容量，只有采用复用技术才能满足这种需要。

1、多路复用分类

目前多路复用方法中用得最多的有两大类：频分复用(FDM)和时分复用(TDM)。频分多路复用多用于模拟通信，时分复用多用于数字通信中。时分复用又分为两类：同步时分复用和异步时分复用。

2、频分复用方法

在通信系统中，信道带宽往往比所要传送的一路信号的带宽要宽得多。因此，一个信道上只传送一路信号是非常浪费的，故要采用频分复用的方法充分利用信道的带宽。

频分复用是将信道带宽分为若干个互不重叠的频段，每路信号各占一个频段。通常听到的调频广播就是FDM的典型代表。

3、时分复用

时分复用（TDM），是利用各路信号的抽样值在时间上互不重叠，从而实现多路信号的同一信道同时传输。

（1）同步时分多路复用技术

这种技术按照信号的路数划分时间片，每一路信号具有相同大小的时间片。时间片轮流分配给每路信号，该路信号在时间片使用完毕以后要停止通信，并把物理信道让给下一路信号使用。当其他各路信号把分配到的时间片都使用完以后，该路信号再次取得时间片进行数据传输。这种方法叫做同步时分多路复用技术。

同步时分多路复用技术优点是控制简单，实现起来容易。缺点是如果某路信号没有足够多的数据，不能有效地使用它的时间片，则造成资源的浪费；而有大量数据要发送的信道又由于没有足够多的时间片可利用，所以要拖很长一段的时间，降低了设备的利用效率。

（2）异步时分多路复用技术

异步时分多路复用技术，也叫做统计时分多路复用技术。指的是将用户的数据划分为一个个数据单元，不同用户的数据单元仍按照时分的方式来共享信道；但是不再使用物理特性来标识不同用户，而是使用数据单元中的若干比特，也就是使用逻辑的方式来标识用户。
这种方法提高了设备利用率，但是技术复杂性也比较高，所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中，例如，异步传输模式ATM。在第二代移动通信系统（在这里指我国采用的GSM 系统）中就引入了时分复用（TDMA）技术。

在同步时分复用中，采用的是固定的时隙分配方式，即一帧中的各时间片以固定的方式分配给各路信号，而事实上，各路信号不会都一直不断地需要传输数据，因而TDM的帧中总有部分时隙是空闲着的，使得时隙的利用率较低。为了实现更加快速地数据传输，人们提出了异步时分复用，它是根据需要动态地分配时隙的一种时分复用方式。

五、数据交换

每当有多个设备存在的时候，我们就要考虑如何将它们连接起来，使一对一的通信成为可能。一个解决办法是在每对设备之间安装一条点到点的链路(如后图)，或者在一个中心设备和其它设备之间设置一条点到点的链路。

数据交换的模式

后图显示了一个交换网络。通信设备被标记为D1、D2和D3等，而交换机被标记为S1、S2和S3等。每个交换机都被连接到多条链路上，用来实现它们之间的连接，每次连接两条链路。

１、报文

在数据传输的过程中，经常进行不断的封装成组、包等，报文就是衡量网络数据传输的一个单位。在传输过程中，报文长度的大小根据实际情况而不同。实际情况为发送方和接收方之间发送数据具体情况而定。通常其传输二进制的数据。

2、数据包

数据传输时通常是打包进行传输，在windows默认状态下数据包发送的大小是一定的，一般为32byt，但是通过DOS命令也可以更改其大小。

3、线路交换

以电路连接为目的的交换方式是电路交换方式。电话网中就是采用电路交换方式。打电话时，首先是摘下话机拨号。拨号完毕，交换机就知道了要和谁通话，并为双方建立连接，等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备。因此，我们可以体会到，电路交换的动作，就是在通信时建立(即联接)电路，通信完毕时拆除(即断开)电路。至于在通信过程中双方传送信息的内容，与交换系统无关。

线路交换的特点

（1）、独占性：建立线路之后、释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路仍不允许其它站点共享，因此线路的利用率较低，并且容易引起接续时的拥塞。
   (2)一旦线路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其它延迟，具有较好的实时性；
 （3）路备简单，不提供任何缓存装置；
（4）、用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配。

4、报文交换

在报文交换中，中间结点由具有存储能力的计算机承担，用户信息可以暂时保存在中间结点上。报文交换无需同时占用整个物理线路。如果一个站点希望发送一个报文（一个数据块），它将目的地地址附加在报文上，然后将整个报文传递给中间结点；中间结点暂存报文，根据地址确定输出端口和线路，排队等待线路空闲时再转发给下一结点，直至终点。

（1）优点

（1）“存储－转发”；
（2）不独占线路，多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路；
（3）无线路建立的过程，提高了线路的利用率；
（4）可以支持多点传输（一个报文传输给多个用户，在报文中增加“地址字段”，中间结点根据地址字段进行复制和转发）；
（5）中间结点可进行数据格式的转换，方便接收站点的收取；
（6）增加了差错检测功能，避免出错数据的无谓传输等。

（2）缺点

（1）由于“存储－转发”和排队，增加了数据传输的延迟；
（2）报文长度未作规定，报文只能暂存在磁盘上，磁盘读取占用了额外的时间；
（3）任何报文都必须排队等待：不同长度的报文要求不同长度的处理和传输时间，即使非常短小的报文（例如：交互式通信中的会话信息）；
（4）报文交换难以支持实时通信和交互式通信的要求。

5、分组交换

分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度，人们除了打电话直接沟通，通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信，在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下，应运而生的一种交换技术。

分组交换的原理

分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。

分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据―分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。 

分组交换的原理

在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。

分组交换的特点

（1）线路利用率高：分组交换进行信道的多路复用，实现资源共享，可在一条物理线路上提供多条逻辑信道，极大地提高线路的利用率。使传输费用明显下降。

（2）换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。
（3）信息传输可靠性高。在网络中每个分组进行传输时，在节点交换机之间采用差错校验与重发的功能，因而在网中传送的误码率大大降低。而且在网内发生故障时，网络中的路由机制会使分组自动地选择一条新的路由避开故障点，不会造成通信中断。