数通基本知识.docx

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数通基本知识

数据通信基本知识

所有计算机之间之间通过计算机网络的通信都涉及由传输介质传输某种形式的数据编码信号。

传输介质在计算机、计算机网络设备间起互连和通信作用，为数据信号提供从一个节点传送到另一个节点的物理通路。

计算机与计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线传输介质两大类。

一、有线传输介质（WiredTransmissionMedia）

有线传输介质在数据传输中只作为传输介质，而非信号载体。

计算机网络中流行使用的有线传输介质（WiredTransmissionMedia）为：

铜线和玻璃纤维。

1.铜线

铜线（CopperWire）由于具有较低的电阻率、价廉和容易安装等优点因而成为最早用于计算机网络中的传输介质，它以介质中传输的电流作为数据信号的载体。

为了尽可能减小铜线所传输信号之间的相互干涉（Interference），我们使用两种基本的铜线类型：

双绞线和同轴电缆。

（1）双绞线

双绞线（TwistedPair）是把两条互相绝缘的铜导线纽绞起来组成一条通信线路，它既可减小流过电流所辐射的能量，也可防止来自其他通信线路上信号的干涉。

双绞线分屏蔽和无屏蔽两种，双绞线的线路损耗较大，传输速率低，但价格便宜，容易安装，常用于对通信速率要求不高的网络连接中。

（2）同轴电缆

同轴电缆（CoaxialCable）由一对同轴导线组成。

同轴电缆频带宽，损耗小，具有比双绞线更强的抗干扰能力和更好的传输性能。

按特性阻抗值不同，同轴电缆可分为基带（用于传输单路信号）和宽带（用于同时传输多路信号）两种。

同轴电缆是目前LAN局域网与有线电视网中普遍采用的比较理想的传输介质。

2.玻璃纤维

目前，在计算机网络中十分流行使用易弯曲的石英玻璃纤维来作为传输介质，它以介质中传输的光波（光脉冲信号）作为信息载体，因此我们又将之称为光导纤维，简称光纤（OpticalFiber）或光缆（OpticalCable）。

光缆由能传导光波的石英玻璃纤维（纤芯），外加包层（硅橡胶）和保护层构成。

在光缆一头的发射器使用LED光发射二极管（LightEmittingDiode）或激光（Laser）来发射光脉冲，在光缆另一头的接收器使用光敏半导体管探测光脉冲。

二、通信信道与信道容量（CommunicationChannel&ChannelCapacity）

通信信道（CommunicationChannel）是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。

物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑联系，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。

逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。

物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道，也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。

信道容量（ChannelCapacity）指信道传输信息的最大能力：

对于数字信道一般用单位时间可以传输的最大二进制位（比特bit）数来表示，对于模拟信道则由信道的带宽表示。

信道容量的大小还受信道质量和可使用时间的影响，当信道质量较差时，实际传输速率将降低。

三、模拟数据通信和数字数据通信（AnalogDataCommunication&DigitalDataCommunication）

1.模拟数据与数字数据

我们一般将数据分为模拟数据和数字数据两大类。

模拟数据（AnalogData）是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。

数字数据（DigitalData）则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。

2.模拟信号与数字信号

（1）模拟信号与数字信号

不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：

模拟数据一般采用模拟信号（AnalogSignal），例如用一系列连续变化的电磁波（如无线电与电视广播中的电磁波），或电压信号（如电话传输中的音频电压信号）来表示；数字数据则采用数字信号（DigitalSignal），例如用一系列断续变化的电压脉冲（如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0），或光脉冲来表示。

当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路（例如电话网、有线电视网）来传输。

当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。

（2）模拟信号与数字信号之间的相互转换

模拟信号和数字信号之间可以相互转换：

模拟信号一般通过PCM脉码调制（PulseCodeModulation）方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相（PhaseShift）的方法转换为模拟信号。

计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。

但是更具应用发展前景的是数字信号。

3.模拟数据通信与数字数据通信

（1）模拟数据通信

路来传输模拟数据或数字数据对应的模拟信号。

例如目前我们广泛使用公用电话线路来传输语音或计算机数字数据对应的模拟信号，我们也可以使用公共有线电视网来传输视频和计算机数字数据对应的模拟信号；而微波与卫星通信传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。

为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，我们一般不直接传输模拟信号（包括由数字信号转换而来的模拟信号），而是在发送方使用某一频率的电磁波作为载波（Carrier），然后用模拟信号或数字信号对其进行调制（Modulation），调制后的载波信号（为模拟信号）占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该载波频率的介质上传输；而在接收方则通过解调制（Demodulation）还原叠加于载波上的模拟信号或数字信号。

我们将可同时完成调制和解调的装置称为调制解调器（MODEM）。

（2）数字数据通信

数字数据通信（DigitalDataCommunication）指直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信号。

由于计算机使用二进制数字信号，因而计算机与其外部设备之间，以及计算机局域网、城域网大多直接采用数字数据通信。

此外，目前北美采用的24路PCM脉码调制（速率为1.544Mpbs），以及欧洲和我国采用的30路PCM脉码调制（速率为2.048Mbps）电话系统均是数字数据通信系统。

  由于数字数据通信传送的是离散数字信号，即逐位传送二进制数字代码，因此要求系统应能确知传输线上正在传送的数位是0还是1。

（3）数字数据通信的优点

与模拟数据通信相比较，数字数据通信具有下列优点：

a.来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式，并通过数字通信系统传输

b.以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误，从而有效保证通信的可靠性

c.在长距离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整及不累积噪音

d.使用加密技术可有效增强通信的安全性

e.数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备，性能/价格比高

f.多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。

需要指出，鉴于传统公用电话网已在世界范围普及，目前家庭个人计算机用户大都通过电话线路与计算机网络相连；此外，随着卫星通信的发展，高容量、高宽带的多路复用传输也大大提高了模拟通信的传输效率。

但是，如果在两台计算机的通信线路之间，只有部分电路采用数字通信，则数字通信的优点并不能充分地得到发挥。

因此，为了提高通信效率，有条件的用户应安装数字数据通信专线，或直接接入局域网。

四、数据通信的主要技术指标

在数字通信中，我们一般使用比特率和误码率来分别描述数据信号传输速率的大小和传输质量的好坏等；在模拟通信中，我们常使用带宽和波特率来描述通信信道传输能力和数据信号对载波的调制速率。

1.带宽

在模拟信道中，我们常用带宽表示信道传输信息的能力，带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差。

理论分析表明，模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。

这也是为什么我们总是努力提高通信信道带宽的原因。

2.比特率

在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位（bit）数来表示，其单位为每秒比特数bit/s（bps）、每秒千比特数（Kbps）或每秒兆比特数（Mbps）来表示（此处K和M分别为1000和1000000，而不是涉及计算机存储器容量时的1024和1048576）。

3.波特率

波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特（Baud）。

波特率与比特率的关系为：

比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数。

  显然，两相调制（单个调制状态对应1个二进制位）的比特率等于波特率；四相调制（单个调制状态对应2个二进制位）的比特率为波特率的两倍；八相调制（单个调制状态对应3个二进制位）的比特率为波特率的三倍；依次类推。

4.误码率

误码率指在数据传输中的错误率。

在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10^（-6）。

五、数据传输方式（DataTransmissionMode）

1.基带信号与基带传输

　基带信号（BasebandSignal）直接用两种不同的电压来表示数字信号1和0，因此我们将对应矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”，相应的信号称为基带信号。

基带传输（BasebandTransmission）指通过有线信道直接传输基带信号，一般用于传输距离较近的数字通信系统，如基带局域网系统。

2.宽带信号

宽带信号（WidebandSignal）用多组基带信号1和0分别调制不同频率的载波，并由这些分别占用不同频段的调制载波组成。

3.多路复用

为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用（Multiplex）技术，即让多路通信信道同时共用一条线路。

多路复用可分为频分多路复用和时分多路复用。

·频分多路复用

当我们采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地同时传输各自的信号，我们称之为频分多路复用（Frequency-DivisionMultiplexing）。

频分多路复用常用于宽带网络中。

·时分多路复用

当我们采用基带信号时，如让各路通信按时间顺序瞬时地分别占有线路的整个频带，并周期性地重复此过程，该线路就按时间分隔成了多个逻辑信道，我们称之为时分多路复用（TimeMultiplexing）。

其中，同步分时多路通信可以确定每个信道何时使用线路；反之则称为异步分时多路通信。

时分多路复用常用于基带网络中。

4、并行与串行方式（Parallel&SerialMode）

根据一次传输数位的多少可将基带传输分为并行（Parallel）方式和串行（Serial）方式，前者是通过一组传输线多位同时传输数字数据，后者是通过一对传输线逐位传输数字代码。

通常，计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式，而传输距离较远的数字通信系统多采用串行方式。

5、单工、半双工和全双工方式（Simplex,HalfDuplex&FullDuplex）

　根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：

单工、半双工与全双工。

在计算机网络中主要采用双工方式，其中：

局域网采用半双工方式，城域网和广域网采用全双年方式。

a.单工（Simplex）方式：

通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。

b.半双工（HalfDuplex）方式：

通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。

c.全双工（FullDuplex）方式：

通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。

六、异步传输与同步传输（Asynchronous&SynchronousTransmission）

1.同步问题的重要性

在数字通信中，同步（Synchronous）是十分重要的。

当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时，如每次发出一个字符（或一个数据帧）的数据信号，接收器必须识别出该字符（或该帧）数据信号的开始位和结束位，以便在适当的时刻正确地读取该字符（或该帧）数据信号的每一位信息，这就是接收器与发送器之间的基本同步问题。

当以数据帧传输数据信号时，为了保证传输信号的完整性和准确性，除了要求接收器应能识别每个字符（或数据帧）对应信号的起止，以保证在正确的时刻开始和结束读取信号，也即保持传输信号的完整性外；还要求使其时钟与发送器保持相同的频率，以保证单位时间读取的信号单元数相同，也即保证传输信号的准确性。

因此当以数据帧传输数据信号时，要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施：

①在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号；②在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号，以控制接收器的时钟同步。

2.异步传输与同步传输

异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：

一般采用字符同步或帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。

两者之间的主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。

异步传输（AsynchronousTransmission）以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟（频率相差不能太多），并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。

异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调：

发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。

计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式，如键盘、典型的RS-232串口（用于计算机与调制解调器或ASCII码终端设备之间）：

发送方可以在任何时刻发送一个字符（由一个开始位引导，然后连续发完该字符的各位，后跟一个位长以上的哑位）。

同步传输（SynchronousTransmission）以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号（后者的传输效率和可靠性高），由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。

在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输；计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号植入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步。

七、数据交换技术（DataSwitchingTechnology）

在数据通信线路中，最简单的形式是在由某种传输介质直接连接的两台设备之间进行通信。

但在长距离通信中，从源站发出的数据一般还需要经过网络中一个或多个用作交换设备的中间结点，由相应结点的交换设备把数据从一个结点传送到另一个结点，直至到达目的站。

通常我们将交换网络中所有通信的发送方与接收方的主机均简称为站，而将通信交换设备简称为结点。

这些结点以不规则的网状结构用传输线路互相连接起来，而每个站点都连接到某个结点上。

1、电路交换（CircuitSwitching）

电路交换（CircuitSwitching）是在两个站点之间通过通信子网的结点建立一条专用的通信线路，这些结点通常是一台采用机电与电子技术的交换设备（例如程控交换机）。

也就是说，在两个通信站点之间需要建立实际的物理连接，其典型实例是两台电话之间通过公共电话网络的互连实现通话。

电路交换实现数据通信需经过下列三个步骤：

首先是建立连接，即建立端到端（站点到站点）的线路连接；其次是数据传送，所传输数据可以是数字数据（如远程终端到计算机），也可以是模拟数据（如声音）；最后是拆除连接，通常在数据传送完毕后由两个站点之一终止连接。

2、分组交换（PacketSwitching）

分组交换（PacketSwitching）的基本思想包括：

数据分组、路由选择与存储转发。

它类似于报文交换，但它限制每次所传输数据单位的长度（典型的最大长度为数千位），对于超过规定长度的数据必须分成若干个等长的小单位，称为分组（Packets）。

从通信站点的角度来看，每次只能发送其中一个分组。

各站点将要传送的大块数据信号分成若干等长而较小的数据分组，然后顺序发送；通信子网中的各个结点按照一定的算法建立路由表（各目标站点各自对应的下一个应发往的结点），同时负责将收到的分组存储于缓存区中（而不使用速度较慢的外存储器），再根据路由表确定各分组下一步应发向哪个结点，在线路空闲时再转发；依次类推，直到各分组传到目标站点。

由于分组交换在各个通信路段上传送的分组不大，故只需很短的传输时间（通常仅为ms数量级），传输延迟小，故非常适合远程终端与计算机之间的交互通信，也有利于多对时分复用通信线路；此外由于采取了错误检测措施，故可保证非常高的可靠性；而在线路误码率一定的情况下，小的分组还可减少重新传输出错分组的开销；与电路交换相比，分组交换带给用户的优点则是费用低。

分组交换的灵活性高，可以根据需要实现面向连接或无连接的通信，并能充分利用通信线路，因此现有的公共数据交换网都采用分组交换技术。

LAN局域网也采用分组交换技术，但在局域网中，从源站到目的站只有一条单一的通信线路，因此，不需要公用数据网中的路由选择和交换功能。

3、高速分组交换技术（HighSpeedPacketSwitchingTechnology）

由于网络的应用越来越广泛，人们对通信线路带宽的需求越来越高，现有的交换技术，已经不能满足日益增长的网络应用的要求，如交互式的会话对实时性要求很高，延迟要很小；高清晰度电视图像及多媒体实时数据的传送都要求高速宽带的通信网。

a.帧中继

　　帧中继（FrameRelay）是目前开始流行的一种高速分组技术。

典型的帧中继通信系统以帧中继交换机作为结点组成高速帧中继网，再将各个计算机网络通过路由器与帧中继网络中的某一结点相连；与一般分组交换在每个结点均要对组成分组的各个数据帧进行检错等处理不同的是：

帧中继交换结点在接收到一个帧时就转发该帧，并大大减少（并不完全取消）接收该帧过程中的检错步骤，从而将结点对帧的处理时间缩短一个数量级，因此称为高速分组交换。

帧中继的帧长是可变的，可按需要分配带宽，帧中继网络的传输速率可达64Kbps~45Mbps，适用于局域网、城域网和广域网。

b.ATM异步传输模式

最有发展前途的高速分组交换技术是ATM异步传输模式（AsynchronousTransferMode），它是建立在电路交换与分组交换基础上的一种新的交换技术，并由基于光纤网络的B-ISDN宽带综合业务数字网所采用：

用户主机所在网络通过ATM交换结点再与光纤数字网络相连。

ATM异步传输模式的主要特点如下：

1）.模式中的分组称为信元（Cell），其长度是固定的，由5个字节首部和48个字节的信息字组成，因此在各结点可采用硬件对信元进行处理，而缩短信元处理时间

2）.交换设备可按网络最大速度设置，而不同类型的服务可复用在一起，各通信信道对应信元根据业务量的大小按先到先服务的原则占用各分时段，速率高的信源占用较多时段，因而可支持各种业务的不同速率

　 3）.保留电路交换以满足传输从语音到高清晰度电视图像等各种实时性很强的业务需要

利用光纤通信误码率低的优点将差错控制由数据链路层改到高层，而提高信元在网络中的传输速率。

数字数据应用简介

一、概述

计算机通信技术层出不穷，国民经济的飞速发展，金融、证券、海关、外贸等集团用户和租用数据专线的部门、单位大幅度增加，数据库及其检索业务也迅速发展，现代社会对电信业务的依赖性越来越强。

数字数据网DDN（DigitalDataNetwork）就是适合这些业务发展的一种传输网络。

它是将数万、数十万条以光缆为主体的数字电路，通过数字电路管理设备，构成一个传输速率高、质量好，网络时延小，全透明、高流量的数据传输基础网络。

什么是DDN？

它是利用数字信道传输数据信号的数据传输网。

它的主要作用是向用户提供永久性和半永久性连接的数字数据传输信道，既可用于计算机之间的通信，也可用于传送数字化传真，数字话音，数字图像信号或其它数字化信号。

永久性连接的数字数据传输信道是指用户间建立固定连接，传输速率不变的独占带宽电路。

半永久性连接的数字数据传输信道对用户来说是非交换性的。

但用户可提出申请，由网络管理人员对其提出的传输速率、传输数据的目的地和传输路由进行修改。

油田通信向广大用户提供了灵活方便的数字电路出租业务，供各行业构成自己的专用网。

二、DDN网络介绍

DDN网络结构示意图

 DDN网络的结构

DDN:

网是由数字传输电路和相应的数字交叉复用设备组成。

其中，数字传输主要以光缆传输电路为主，数字交叉连接复用设备对数字电路进行半固定交叉连接和子速率的复用。

DTE：

数据终端设备--接入DDN网的用户端设备可以是局域网，通路由器连至对端，也可以是一般的异步终端或图像设备，以及传真机、电传机、电话机等。

DTE和DTE之间是全透明传输。

DSU：

数据业务单元--可以是调制解调器或基带传输设备，以及时分复用、语音/数字复用等设备。

DTE和DSU主要功能是业务的接入和接出。

NMC：

网管中心--可以方便地进行网络结构和业务的配置，实时地监视网络运行情况，进行网络信息、网络节点告警、线路利用情况等收集、统计报告。

DDN网络层次示意图

按照网络的基本功能DDN网又可分为核心层、接入层、用户接口层。

1、 核心层：

以2M电路，构成骨干节点核心，执行网络业务的转接功能，包括帧中继业务的转接功能。

2、 接入层：

为DDN各类业务提供子速率复用和交叉连接，帧中继业务用户接入和本地帧中继功能，以及压缩话音/G3传真用户入网。

3、 用户接口层：

为用户入网提供适配和转接功能。

如小容量时分复用设备等。

DDN网特点

（1）传输速率高：

在DDN网内的数字交叉连接复用设备能提供2Mbps或N×64Kbps（≤2M）速率的数字传输信道。

（2）传输质量较高：

数字中继大量采用光纤传输系统，用户之间专有固定连接，网络时延小。

（3）协议简单：

采用交叉连接技术和时分复用技术，由智能化程度较高的用户端设备来完成协议的转换，本身不受任何规程的约束，是全透明网，面向各类数据用户。

（4）灵活的连接方式：

可以支持数据、语音、图像传输等多种业务，它不仅可以和用户终端设备进行连接，也可以和用户网络连接，为用户提供灵活的组网环境。

（5）电路可靠性高：

采用路由迂回和备用方式，使电路安全可靠。

（6）网络运行管理简便：

采用网管对网络业务进行调度监控，业务的迅速生成。

三、DDN网络的应用

DDN网络提供的业务

由于DDN网是一个全透明网络，能提供多种业务来满足各类用户的需求。

    提供速率可在一定范围内（200bit/s—2Mbit/s）任选的信息量大实时性强的中高速数据通信业务。

如局域网互连、大中型主机互连、计算机互联网业务提供者（ISP）等。

为分组交换网、公用计算机互联网等提供中继电路。

可提供点对点、一点对多点的业务适用于会计、统筹、生产数据采集、科研教育系统、企业管理部门租用DDN专线组建自己