1.5 數據通信基礎

數據通信（Data Communication）就是指計算機與計算機之間交換數據的過程。數據通信系統就是指以計算機為中心，用通信線路連接分布在各地的數據終端設備而執行數據傳輸功能的系統。

計算機間的通信是實現資源共享的基礎，計算機通信網絡的核心是數據通信設施。網絡中的信息交換和共享意味著一個計算機系統中的信號通過網絡傳輸到另一個計算機系統中去處理或使用。如何將不同計算機系統中的信號進行傳輸是數據通信技術要解決的問題。

1.5.1 基本概念

1．數據和信息

（1）數據（Data）由數字、字符和符號等組成，可以用來描述任何概念和事務，是信息的載體。數據中的各種數字、符號等在沒有被定義前是沒有實際含義的，它總是和一定的形式相聯系的。因此，數據是獨立的，是尚未組織起來的事實的集合，是抽象的。例如，數字1在十進制中，它表示一個數量；在二進制中，它可被表示一個數量，也可被定義為一種狀態等。

（2）信息（Information）則是數據的具體內容和解釋，有具體含義。信息是數據經過加工處理（說明或解釋）后得到的，即信息是按一定要求，以一定格式組織起來的、具有一定意義的數據。信息必須依賴于各種載體才有意義，才能被傳遞。嚴格地講，數據和信息是有區別的。數據是信息的表示形式，是信息的載體，信息是數據形式的內涵。

2．信號

在數據通信過程中，常常需要通過傳輸介質將數據從某一端傳輸到另一端。為了使數據可在介質中傳輸，必須把數據轉換成某種信號（電信號或光信號）。

信號（Signal）是數據的具體物理表示，具有確定的物理描述，如電壓、磁場強度等。在電路或光路中，信號就具體表示數據的電編碼或光編碼。

3．模擬數據和數字數據

表達數據的方式和承載數據的介質是緊密相關的，不同的介質能夠表達數據的方式是有限的。表達數據的基本方式有兩種，即模擬數據和數字數據。當數據采用電信號方式表達時，由于受電物理特性所限，數據只能被表示成離散的編碼和連續的載波兩種形式。

當數據采用離散電信號表示時，這樣的數據就是數字數據，如自然數和字符文本的取值等都是離散的。

當數據采用電波表示時，這樣的數據就是模擬數字，如表示聲音、電壓、電流等的數據都是連續的。

4．模擬信號和數字信號

電信號一般有模擬信號和數字信號兩種形式。隨時間連續變化的信號叫模擬信號，如正弦波信號等；隨時間離散變化的信號是數字信號，它可以用有限個數位來表示連續變化的物理量，如脈沖信號、階梯信號等。

5．信道

信道是信號傳輸的通道，包括傳輸介質和通信設備。傳輸介質可以是有形介質，如電纜、光纖等，也可以是無形介質，如傳輸電磁波的空間。信道可以按不同的方法分類。

信道按所使用的傳輸介質分類，可以分為有線信道與無線信道。

信道按傳輸信號的類型分類，可以分為模擬信道與數字信道。

信道按使用方式分類，可以分為專用信道和公用信道。專用信道是用于傳遞用戶語音或數據的業務信道，另外還包括一些用于控制的專用控制信道。而公用信道是一種通過交換機轉接，為大量用戶提供服務的信道。

6．信源和信宿

產生和發送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。

圖1.21所示的系統是一個簡單的數據通信系統模型。在數據通信系統中，傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統，而傳輸數字信號的系統稱為數字通信系統。

通信系統客觀上是不可避免地存在干擾的，為分析或研究問題方便，通常把干擾等效為一個作用于信道上的噪聲源。

7．并行通信與串行通信

在計算機內部各部件之間、計算機與各種外部設備之間和計算機與計算機（或終端）之間都是以通信方式傳遞信息的。這種通信有兩種方式，即并行通信（見圖1.22）和串行通信（見圖1.23）。這是計算機網絡通信系統中的兩種基本通信方式。通常并行通信用于計算機內部各部件之間或近距離設備之間的數據傳輸，而串行通信常用于計算機與計算機或計算機與終端之間遠距離的數據傳輸。計算機與外部設備之間的并行通信一般通過計算機的并行接口（LPT）進行；串行通信一般通過串行接口（COM）進行。

8．單工、半雙工和全雙工通信

數據在通信線路上傳輸是有方向的。根據數據在線路上傳輸的方向和特點，有單工通信（Simplex）、半雙工通信（Half-Duplex）和全雙工通信（Full-Duplex）3種通信方式。

（1）單工通信是指在通信線路上，數據只可按一個固定的方向傳送而不能進行相反方向傳送的通信方式。如圖1.24（a）所示，數據只能從A端傳送到B端，而不能從B端傳回到A端，A端是發送端，B端是接收端。單工通信可比擬為城市單行道的交通。

（2）半雙工通信是指數據可以雙向傳輸，但不能同時進行，采用分時間段傳輸，在任一時刻只允許在一個方向上傳輸主信息。如圖1.24（b）所示，數據可以從A端傳送到B端，也可以從B端傳送到A端，但兩個方向不能同時傳送；半雙工通信設備A和B要同時具備發送和接收數據的功能，即A、B端既是發送設備，又是接收設備。半雙工通信因要頻繁地改變數據傳輸方向，因此傳輸效率較低。半雙工通信可比擬為獨木橋上的交通。

（3）全雙工通信是指可同時雙向傳輸數據的通信方式。如圖1.24（c）所示，它相當于兩個方向相反的單工通信組合在一起，通信的一方在發送信息的同時也能接收信息。全雙工通信可比擬為可以雙向同時行駛車輛的主干道交通。

9．基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸

由計算機或終端等數字設備產生的、未經調制的數字數據相對應的電脈沖信號稱為基帶信號。它通常呈矩形波形式，所占據的頻率范圍通常從直流和低頻開始?；鶐盘査加校ü逃校┑念l率范圍稱為基本頻帶，簡稱基帶（Baseband）。在信道中直接傳輸這種基帶信號的傳輸方式就是基帶傳輸。在基帶傳輸中，整個信道只傳輸這一種信號。

由于在近距離范圍內，基帶信號的功率衰減不大，從而信道容量不會發生變化，因此，計算機局域網絡系統廣泛采用基帶傳輸方式，如以太網、令牌環網?；鶐鬏斒且环N較簡單、較基本的傳輸方式，它適合于傳輸各種速率要求的數據。基帶傳輸過程簡單，設備費用低，適合于近距離傳輸的場合。

由于基帶信號頻率很低，含有直流成分，遠距離傳輸過程中信號功率的衰減或干擾將造成信號減弱，使得接收方無法接收，因此基帶傳輸不適合于遠距離傳輸。又因遠距離通信信道多為模擬信道，所以在遠距離傳輸中不采用基帶傳輸而采用一種叫頻帶傳輸的方式。頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調制）成便于在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率范圍的信號（這種信號稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在信道中傳輸。由于頻帶信號也是一種模擬信號（如音頻信號），因此頻帶傳輸實際上是模擬傳輸。計算機網絡系統的遠距離通信通常都是頻帶傳輸。

基帶信號與頻帶信號的變換是由調制解調技術完成的。

寬帶傳輸是指將信道分成多個子信道，分別傳送音頻、視頻和數字信號。寬帶是指比音頻帶寬更寬的頻帶，它包括大部分電磁波頻譜。寬帶傳輸系統可以是模擬或數字傳輸系統，它能夠在同一信道上進行數字信息和模擬信息傳輸。寬帶傳輸系統可容納全部廣播信號，并可進行高速數據傳輸。在局域網中存在基帶傳輸和寬帶傳輸兩種方式?；鶐鬏數臄祿俾时葘拵鬏斔俾实汀Ｒ粋€寬帶信道可以被劃分為多個邏輯基帶信道。寬帶傳輸能把聲音、圖像、數據等信息綜合到一個物理信道上進行傳輸。寬帶傳輸采用的是頻帶傳輸技術，但頻帶傳輸不一定是寬帶傳輸。

10．數據編碼與多路復用

數據編碼是把從信源或其他設備輸出的數據做相應的變換，其目的是使之便于在相應的信道上有效地傳輸。數字數據的模擬信號編碼有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。數字數據的數字信號編碼有非歸零碼、曼徹斯特（Manchester）編碼、差分曼徹斯特（Difference Manchester）編碼。

多路復用技術是為了高效合理地利用通信介質，使多路數據信號共同使用一條線路進行傳輸的技術。把利用一條物理信道同時傳輸多路信號的過程稱為多路復用。多路復用技術能把多個信號組合在一條物理信道上進行傳輸，使多個計算機或終端設備共享信道資源，提高信道的利用率。

11．電路交換與存儲交換

電路交換（Circuit Switching）也叫線路交換，是數據通信領域最早使用的交換方式。通過電路交換進行通信，就是要通過中間交換節點在兩個站點之間建立一條專用的通信線路。最普通的電路交換例子是電話通信系統。電話交換系統利用交換機在多個輸入線和輸出線之間通過不同的撥號和呼號建立直接通話的物理鏈路。物理鏈路一旦接通，相連的兩站點即可直接通信。在該通信過程中，交換設備對通信雙方的通信內容不做任何干預，即對信息的代碼、符號、格式和傳輸控制順序等沒有影響。

利用電路交換進行通信包括建立電路、傳輸數據和拆除電路3個階段。

存儲交換（Store and Forward Switching）也叫存儲轉發，存儲交換可分為報文交換和報文分組交換兩種方式。

報文交換（Message Switching）的過程是：發送方先把待傳送的信息分為多個報文正文，在報文正文上附加發送站、接收站地址及其他控制信息，形成一份份完整的報文（Message）。然后以報文為單位在交換網絡的各節點間傳送。節點在接收整個報文后對報文進行緩存和必要的處理，等到指定輸出端的線路和下一節點空閑時，再將報文轉發出去，直到目的節點。目的節點將收到的各份報文按原來的順序進行組合，然后再將完整的信息交付給接收端計算機或終端。

報文分組交換（Packet Switching）簡稱分組交換，也叫包交換。報文分組交換是在1964年提出來的，最早在ARPANet（阿帕網）上得以應用。報文分組交換是把報文分成若干個分組（Packet），以報文分組為單位進行暫存、處理和轉發。每個報文分組按格式必須附加收發地址標志、分組編號、分組的起始和結束標志以及差錯校驗信息等，以供存儲轉發之用。

1.5.2 數據通信的主要技術指標

衡量和評價一個系統的好壞就會涉及系統的主要性能指標。數據通信的主要技術指標是衡量數據傳輸的有效性和可靠性的參數。有效性主要由數據傳輸的數據速率、調制速率、傳輸延遲、信道帶寬和信道容量等指標來衡量?？煽啃砸话阌脭祿鬏數恼`碼率指標來衡量。常用數據通信的技術指標有以下幾種。

1．信道帶寬和信道容量

信道帶寬或信道容量是描述信道的主要指標之一，由信道的物理特性所決定。

通信系統中傳輸信息的信道具有一定的頻率范圍（即頻帶寬度），稱為信道帶寬。信道容量是指單位時間內信道所能傳輸的最大信息量，即一個信道能夠達到的最大傳輸速率，它表征信道的傳輸能力。在通信領域中，信道容量常指信道在單位時間內可傳輸的最大碼元數（碼元是承載信息的基本信號單位，一個表示數據有效值狀態的脈沖信號就是一個碼元，其單位為波特）。信道容量以碼元速率（或波特率）來表示。由于數據通信主要是計算機與計算機之間的數據傳輸，而這些數據最終又以二進制位的形式表示，因此，信道容量有時也表示為單位時間內最多可傳輸的二進制的位數（也叫信道的數據傳輸速率），以位／秒（b/s）形式表示，即bit per second，簡寫為b/s。

按信道頻率范圍的不同，通?？蓪⑿诺婪譃?類，即窄帶信道（帶寬為0～300Hz）、音頻信道（帶寬為300～3400Hz）和寬帶信道（帶寬在3400Hz以上）。

一般情況下，信道帶寬越寬，一定時間內信道上傳輸的信息量就越多，則信道容量就越大，傳輸效率也就越高。香農（Shannon）定理給出了信道帶寬與信道容量之間的關系，即

式中，C為信道容量；W為信道帶寬；N為噪聲功率；S為信號功率。

當噪聲功率趨于0時，信道容量趨于無窮大，即無干擾的信道容量為無窮大，信道傳輸的信息多少由帶寬決定。此時，信道中每秒所能傳輸的最大比特數由奈奎斯特（Nyquist）準則決定。

Rmax=2Wlog2L（b/s）

式中，Rmax為最大速率；W為信道帶寬；L為信道上傳輸的信號可取的離散值的個數。

若信道上傳輸的是二進制信號，則可取兩個離散電平1和0，此時L=2，log22=1，所以Rmax＝2W。例如，一個無噪聲的、帶寬為2000Hz的信道，不能傳輸速率超過4000b/s的二進制（L=2）數字信號；若L＝8，則log28＝3，即每個信號傳送3個二進制位。帶寬2000Hz的理想信道的數據傳輸速率最大可達12kb/s。

2．傳輸速率

1）數據傳輸速率

數據傳輸速率（Rate）是指通信系統單位時間內傳輸的二進制代碼的位（比特）數，因此又稱比特率，單位用比特／秒表示，記為b/s或bit/s。

數據傳輸速率的高低由每位數據所占的時間決定，一位數據所占的時間寬度越小，則其數據傳輸速率越高。設T為傳輸的電脈沖信號的寬度或周期，N為一個脈沖信號所有可能的狀態數，則數據傳輸速率為

式中，log2N是每個電脈沖信號所表示的二進制數據的位數（比特數）。如果電信號的狀態數N=2，即只有0和1兩個狀態，則每個電信號只傳送一位二進制數據，此時，。

2）調制速率

調制速率又叫波特率或碼元速率，它是數字信號經過調制后的傳輸速率，表示每秒傳輸的電信號單元（碼元）數，即調制后模擬電信號每秒鐘的變化次數，它等于調制周期（即時間間隔）的倒數，單位為波特（Baud）。若用T（秒）表示調制周期，則調制速率為

即1波特表示每秒傳送一個碼元。

顯然，上述兩個指標有以下的數量關系，即

Rs=Rblog2N

即在數值上“波特”單位等于“比特”的log2N倍，只有當N＝2（即雙值調制）時，兩個指標才在數值上相等。但是，在概念上兩者并不相同，Baud是碼元的傳輸速率單位，表示單位時間傳送的信號值（碼元）的個數，波特速率是調制速率。而b/s是單位時間內傳輸信息量的單位，表示單位時間傳送的二進制數的個數。

3．誤碼率

誤碼率是衡量通信系統在正常工作情況下傳輸可靠性的指標。誤碼率是指二進制碼元在傳輸過程中被傳錯的概率。顯然，它就是錯誤接收的碼元數在所傳輸的總碼元數中所占的比例。誤碼率的計算公式為

式中：Pe為誤碼率；Ne為被傳錯的碼元數；N為傳輸的二進制碼元總數。上式只有在N取值很大時才有效。

在計算機網絡通信系統中，要求誤碼率低于10-6。如果實際傳輸的不是二進制碼元，則需折合成二進制碼元來計算。在通信系統中，系統對誤碼率的要求應權衡通信的可靠性和有效性兩方面的因素，誤碼率越低，設備要求就越高。

需要指出的是，對于可靠性的要求，不同的通信系統要求是不同的。在實際應用中，常常由若干碼元構成一個碼字，所以可靠性也常用誤字率來表示，誤字率就是碼字錯誤的概率。有時一個碼字中錯兩個或更多的碼元，這和錯一個碼元是一樣的，都會使這個碼字發生錯誤，所以誤字率與誤碼率不一定是相等的。有時信息還用若干個碼字組成一組，所以還有誤組率，它是傳輸中出現錯誤碼組的概率。但常使用的還是誤碼率。

4．傳輸延遲

傳輸延遲是指由于各種原因的影響，而使系統信息在傳輸過程中存在著不同程度的延誤或滯后的現象。信息的傳輸延遲時間包括發送和接收處理時間、電信號響應時間、中間轉發時間和信道傳輸時間等。傳輸延遲通常又分為傳輸時延和傳播時延。

傳輸時延是指發送一組信息所用的時間，該時間與信息傳輸速率和信息格式有關。

傳播時延是指信號在物理介質中傳輸一定距離所用的時間，它與信號傳播速度和距離有關。眾所周知，在理想情況下，電磁波的傳輸速度是300000km/s（即光速）。通常認為電磁波在光纖、衛星信道中的傳播速度可達到光速，而在一般電纜中的傳輸速度約為光速的2/3。

以下題為例來更好地理解傳輸時延和傳播時延。

例如，在相隔1000km的兩地間傳輸3kb的數據，可以通過電纜以20kb/s的速率傳輸或通過衛星信道以60kb/s的速率傳輸，問用哪種方式從發送方開始發送到接收方接收到全部數據的時間最短？（假定信息在電纜中傳輸速度是200000km/s，而在衛星信道中的傳輸速度是300000km/s）。

數據在電纜中的傳輸時延為3kb/（20kb/s）=0.15s=150ms，而其傳播時延為1000km/（2′ 105km/s）=5ms，因此使用電纜傳輸數據的總時延為150ms+5ms=155ms。數據在衛星中的傳輸時延為3kb/（60kb/s）=0.05s=50ms，而其傳播時延為36000km×2/（3×105km/s）=240ms（注意：衛星傳輸數據不是地面直接傳輸，而是要通過空中的衛星轉發器轉發，因此，衛星傳輸的距離近似為衛星距地面高度的兩倍）。因此，使用衛星傳輸數據的總時延50ms+240ms=290ms。說明本例中使用電纜傳輸數據所用時間最短。