1.5 数据通信基础

数据通信（Data Communication）就是指计算机与计算机之间交换数据的过程。数据通信系统就是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的数据终端设备而执行数据传输功能的系统。

计算机间的通信是实现资源共享的基础，计算机通信网络的核心是数据通信设施。网络中的信息交换和共享意味着一个计算机系统中的信号通过网络传输到另一个计算机系统中去处理或使用。如何将不同计算机系统中的信号进行传输是数据通信技术要解决的问题。

1.5.1 基本概念

1．数据和信息

（1）数据（Data）由数字、字符和符号等组成，可以用来描述任何概念和事务，是信息的载体。数据中的各种数字、符号等在没有被定义前是没有实际含义的，它总是和一定的形式相联系的。因此，数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合，是抽象的。例如，数字1在十进制中，它表示一个数量；在二进制中，它可被表示一个数量，也可被定义为一种状态等。

（2）信息（Information）则是数据的具体内容和解释，有具体含义。信息是数据经过加工处理（说明或解释）后得到的，即信息是按一定要求，以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。信息必须依赖于各种载体才有意义，才能被传递。严格地讲，数据和信息是有区别的。数据是信息的表示形式，是信息的载体，信息是数据形式的内涵。

2．信号

在数据通信过程中，常常需要通过传输介质将数据从某一端传输到另一端。为了使数据可在介质中传输，必须把数据转换成某种信号（电信号或光信号）。

信号（Signal）是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。在电路或光路中，信号就具体表示数据的电编码或光编码。

3．模拟数据和数字数据

表达数据的方式和承载数据的介质是紧密相关的，不同的介质能够表达数据的方式是有限的。表达数据的基本方式有两种，即模拟数据和数字数据。当数据采用电信号方式表达时，由于受电物理特性所限，数据只能被表示成离散的编码和连续的载波两种形式。

当数据采用离散电信号表示时，这样的数据就是数字数据，如自然数和字符文本的取值等都是离散的。

当数据采用电波表示时，这样的数据就是模拟数字，如表示声音、电压、电流等的数据都是连续的。

4．模拟信号和数字信号

电信号一般有模拟信号和数字信号两种形式。随时间连续变化的信号叫模拟信号，如正弦波信号等；随时间离散变化的信号是数字信号，它可以用有限个数位来表示连续变化的物理量，如脉冲信号、阶梯信号等。

5．信道

信道是信号传输的通道，包括传输介质和通信设备。传输介质可以是有形介质，如电缆、光纤等，也可以是无形介质，如传输电磁波的空间。信道可以按不同的方法分类。

信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信道与无线信道。

信道按传输信号的类型分类，可以分为模拟信道与数字信道。

信道按使用方式分类，可以分为专用信道和公用信道。专用信道是用于传递用户语音或数据的业务信道，另外还包括一些用于控制的专用控制信道。而公用信道是一种通过交换机转接，为大量用户提供服务的信道。

6．信源和信宿

产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。

图1.21所示的系统是一个简单的数据通信系统模型。在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。

通信系统客观上是不可避免地存在干扰的，为分析或研究问题方便，通常把干扰等效为一个作用于信道上的噪声源。

7．并行通信与串行通信

在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间和计算机与计算机（或终端）之间都是以通信方式传递信息的。这种通信有两种方式，即并行通信（见图1.22）和串行通信（见图1.23）。这是计算机网络通信系统中的两种基本通信方式。通常并行通信用于计算机内部各部件之间或近距离设备之间的数据传输，而串行通信常用于计算机与计算机或计算机与终端之间远距离的数据传输。计算机与外部设备之间的并行通信一般通过计算机的并行接口（LPT）进行；串行通信一般通过串行接口（COM）进行。

8．单工、半双工和全双工通信

数据在通信线路上传输是有方向的。根据数据在线路上传输的方向和特点，有单工通信（Simplex）、半双工通信（Half-Duplex）和全双工通信（Full-Duplex）3种通信方式。

（1）单工通信是指在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式。如图1.24（a）所示，数据只能从A端传送到B端，而不能从B端传回到A端，A端是发送端，B端是接收端。单工通信可比拟为城市单行道的交通。

（2）半双工通信是指数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间段传输，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息。如图1.24（b）所示，数据可以从A端传送到B端，也可以从B端传送到A端，但两个方向不能同时传送；半双工通信设备A和B要同时具备发送和接收数据的功能，即A、B端既是发送设备，又是接收设备。半双工通信因要频繁地改变数据传输方向，因此传输效率较低。半双工通信可比拟为独木桥上的交通。

（3）全双工通信是指可同时双向传输数据的通信方式。如图1.24（c）所示，它相当于两个方向相反的单工通信组合在一起，通信的一方在发送信息的同时也能接收信息。全双工通信可比拟为可以双向同时行驶车辆的主干道交通。

9．基带传输、频带传输和宽带传输

由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号称为基带信号。它通常呈矩形波形式，所占据的频率范围通常从直流和低频开始。基带信号所占有（固有）的频率范围称为基本频带，简称基带（Baseband）。在信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输。在基带传输中，整个信道只传输这一种信号。

由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，计算机局域网络系统广泛采用基带传输方式，如以太网、令牌环网。基带传输是一种较简单、较基本的传输方式，它适合于传输各种速率要求的数据。基带传输过程简单，设备费用低，适合于近距离传输的场合。

由于基带信号频率很低，含有直流成分，远距离传输过程中信号功率的衰减或干扰将造成信号减弱，使得接收方无法接收，因此基带传输不适合于远距离传输。又因远距离通信信道多为模拟信道，所以在远距离传输中不采用基带传输而采用一种叫频带传输的方式。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的信号（这种信号称为频带信号），再将这种频带信号在信道中传输。由于频带信号也是一种模拟信号（如音频信号），因此频带传输实际上是模拟传输。计算机网络系统的远距离通信通常都是频带传输。

基带信号与频带信号的变换是由调制解调技术完成的。

宽带传输是指将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号。宽带是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。宽带传输系统可以是模拟或数字传输系统，它能够在同一信道上进行数字信息和模拟信息传输。宽带传输系统可容纳全部广播信号，并可进行高速数据传输。在局域网中存在基带传输和宽带传输两种方式。基带传输的数据速率比宽带传输速率低。一个宽带信道可以被划分为多个逻辑基带信道。宽带传输能把声音、图像、数据等信息综合到一个物理信道上进行传输。宽带传输采用的是频带传输技术，但频带传输不一定是宽带传输。

10．数据编码与多路复用

数据编码是把从信源或其他设备输出的数据做相应的变换，其目的是使之便于在相应的信道上有效地传输。数字数据的模拟信号编码有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。数字数据的数字信号编码有非归零码、曼彻斯特（Manchester）编码、差分曼彻斯特（Difference Manchester）编码。

多路复用技术是为了高效合理地利用通信介质，使多路数据信号共同使用一条线路进行传输的技术。把利用一条物理信道同时传输多路信号的过程称为多路复用。多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道的利用率。

11．电路交换与存储交换

电路交换（Circuit Switching）也叫线路交换，是数据通信领域最早使用的交换方式。通过电路交换进行通信，就是要通过中间交换节点在两个站点之间建立一条专用的通信线路。最普通的电路交换例子是电话通信系统。电话交换系统利用交换机在多个输入线和输出线之间通过不同的拨号和呼号建立直接通话的物理链路。物理链路一旦接通，相连的两站点即可直接通信。在该通信过程中，交换设备对通信双方的通信内容不做任何干预，即对信息的代码、符号、格式和传输控制顺序等没有影响。

利用电路交换进行通信包括建立电路、传输数据和拆除电路3个阶段。

存储交换（Store and Forward Switching）也叫存储转发，存储交换可分为报文交换和报文分组交换两种方式。

报文交换（Message Switching）的过程是：发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，在报文正文上附加发送站、接收站地址及其他控制信息，形成一份份完整的报文（Message）。然后以报文为单位在交换网络的各节点间传送。节点在接收整个报文后对报文进行缓存和必要的处理，等到指定输出端的线路和下一节点空闲时，再将报文转发出去，直到目的节点。目的节点将收到的各份报文按原来的顺序进行组合，然后再将完整的信息交付给接收端计算机或终端。

报文分组交换（Packet Switching）简称分组交换，也叫包交换。报文分组交换是在1964年提出来的，最早在ARPANet（阿帕网）上得以应用。报文分组交换是把报文分成若干个分组（Packet），以报文分组为单位进行暂存、处理和转发。每个报文分组按格式必须附加收发地址标志、分组编号、分组的起始和结束标志以及差错校验信息等，以供存储转发之用。

1.5.2 数据通信的主要技术指标

衡量和评价一个系统的好坏就会涉及系统的主要性能指标。数据通信的主要技术指标是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。有效性主要由数据传输的数据速率、调制速率、传输延迟、信道带宽和信道容量等指标来衡量。可靠性一般用数据传输的误码率指标来衡量。常用数据通信的技术指标有以下几种。

1．信道带宽和信道容量

信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。

通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围（即频带宽度），称为信道带宽。信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，即一个信道能够达到的最大传输速率，它表征信道的传输能力。在通信领域中，信道容量常指信道在单位时间内可传输的最大码元数（码元是承载信息的基本信号单位，一个表示数据有效值状态的脉冲信号就是一个码元，其单位为波特）。信道容量以码元速率（或波特率）来表示。由于数据通信主要是计算机与计算机之间的数据传输，而这些数据最终又以二进制位的形式表示，因此，信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制的位数（也叫信道的数据传输速率），以位／秒（b/s）形式表示，即bit per second，简写为b/s。

按信道频率范围的不同，通常可将信道分为3类，即窄带信道（带宽为0～300Hz）、音频信道（带宽为300～3400Hz）和宽带信道（带宽在3400Hz以上）。

一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率也就越高。香农（Shannon）定理给出了信道带宽与信道容量之间的关系，即

式中，C为信道容量；W为信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。

当噪声功率趋于0时，信道容量趋于无穷大，即无干扰的信道容量为无穷大，信道传输的信息多少由带宽决定。此时，信道中每秒所能传输的最大比特数由奈奎斯特（Nyquist）准则决定。

Rmax=2Wlog2L（b/s）

式中，Rmax为最大速率；W为信道带宽；L为信道上传输的信号可取的离散值的个数。

若信道上传输的是二进制信号，则可取两个离散电平1和0，此时L=2，log22=1，所以Rmax＝2W。例如，一个无噪声的、带宽为2000Hz的信道，不能传输速率超过4000b/s的二进制（L=2）数字信号；若L＝8，则log28＝3，即每个信号传送3个二进制位。带宽2000Hz的理想信道的数据传输速率最大可达12kb/s。

2．传输速率

1）数据传输速率

数据传输速率（Rate）是指通信系统单位时间内传输的二进制代码的位（比特）数，因此又称比特率，单位用比特／秒表示，记为b/s或bit/s。

数据传输速率的高低由每位数据所占的时间决定，一位数据所占的时间宽度越小，则其数据传输速率越高。设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为一个脉冲信号所有可能的状态数，则数据传输速率为

式中，log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。如果电信号的状态数N=2，即只有0和1两个状态，则每个电信号只传送一位二进制数据，此时，。

2）调制速率

调制速率又叫波特率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒传输的电信号单元（码元）数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位为波特（Baud）。若用T（秒）表示调制周期，则调制速率为

即1波特表示每秒传送一个码元。

显然，上述两个指标有以下的数量关系，即

Rs=Rblog2N

即在数值上“波特”单位等于“比特”的log2N倍，只有当N＝2（即双值调制）时，两个指标才在数值上相等。但是，在概念上两者并不相同，Baud是码元的传输速率单位，表示单位时间传送的信号值（码元）的个数，波特速率是调制速率。而b/s是单位时间内传输信息量的单位，表示单位时间传送的二进制数的个数。

3．误码率

误码率是衡量通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。显然，它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。误码率的计算公式为

式中：Pe为误码率；Ne为被传错的码元数；N为传输的二进制码元总数。上式只有在N取值很大时才有效。

在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实际传输的不是二进制码元，则需折合成二进制码元来计算。在通信系统中，系统对误码率的要求应权衡通信的可靠性和有效性两方面的因素，误码率越低，设备要求就越高。

需要指出的是，对于可靠性的要求，不同的通信系统要求是不同的。在实际应用中，常常由若干码元构成一个码字，所以可靠性也常用误字率来表示，误字率就是码字错误的概率。有时一个码字中错两个或更多的码元，这和错一个码元是一样的，都会使这个码字发生错误，所以误字率与误码率不一定是相等的。有时信息还用若干个码字组成一组，所以还有误组率，它是传输中出现错误码组的概率。但常使用的还是误码率。

4．传输延迟

传输延迟是指由于各种原因的影响，而使系统信息在传输过程中存在着不同程度的延误或滞后的现象。信息的传输延迟时间包括发送和接收处理时间、电信号响应时间、中间转发时间和信道传输时间等。传输延迟通常又分为传输时延和传播时延。

传输时延是指发送一组信息所用的时间，该时间与信息传输速率和信息格式有关。

传播时延是指信号在物理介质中传输一定距离所用的时间，它与信号传播速度和距离有关。众所周知，在理想情况下，电磁波的传输速度是300000km/s（即光速）。通常认为电磁波在光纤、卫星信道中的传播速度可达到光速，而在一般电缆中的传输速度约为光速的2/3。

以下题为例来更好地理解传输时延和传播时延。

例如，在相隔1000km的两地间传输3kb的数据，可以通过电缆以20kb/s的速率传输或通过卫星信道以60kb/s的速率传输，问用哪种方式从发送方开始发送到接收方接收到全部数据的时间最短？（假定信息在电缆中传输速度是200000km/s，而在卫星信道中的传输速度是300000km/s）。

数据在电缆中的传输时延为3kb/（20kb/s）=0.15s=150ms，而其传播时延为1000km/（2´ 105km/s）=5ms，因此使用电缆传输数据的总时延为150ms+5ms=155ms。数据在卫星中的传输时延为3kb/（60kb/s）=0.05s=50ms，而其传播时延为36000km×2/（3×105km/s）=240ms（注意：卫星传输数据不是地面直接传输，而是要通过空中的卫星转发器转发，因此，卫星传输的距离近似为卫星距地面高度的两倍）。因此，使用卫星传输数据的总时延50ms+240ms=290ms。说明本例中使用电缆传输数据所用时间最短。