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中小学信息科学知识:网络与通讯



第一章 计算机网络基本的概念

第一节 计算机网络的形成、发展及组成


  我们知道,当今社会是信息化社会,信息化社会的最主要的标志之一就 是计算机的大范围普及,特别是计算机网络的处处延伸。离开计算机网络这 一高速信息传输通道,信息化是根本无从谈起的。因此也有人说,当今社会 是一个以计算机网络为中心的社会。借助于计算机网络,全世界不同民族, 不同地域的人们才能跨越地域障碍进行各种信息交流。人类从来没有像现在 这样如此紧密地联系在一起。
  那么,什么是计算机网络,它又是怎样产生的呢?一个计算机网络必须 包括哪些组成部件,又具备哪些功能呢?本节将一一给大家解释这些问题。

一、计算机网络的产生与发展

计算机网络(Computer Network)是计算机(Computer)技术和通信
(Communication)技术紧密结合的产物,亦即 C&C 的结合。它的发展过程
经历了从简单到复杂,从单机到多机的演变过程。其形成与发展可以分为三 个阶段:
第一阶段:以单个计算机为中心的远程联机系统,构成面向终端的计算
机系统; 第二阶段:多个主计算机通过通信电路互连形成计算机网络的雏形;
第三阶段:在第二阶段的基础上,形成统一的网络体系结构,形成真正
的计算机网络。 计算机诞生的初期与通信是没有任何联系的。那时的计算机个个都是庞
然大物,又很娇贵,必须放置在专用机房之内,周围环境温度、湿度、噪声、
灰尘度等都有严格要求,否则就有罢工的可能。再加上操作的难度,价格的 昂贵,当时的计算机只能用于军事、政府部门及一些大的科研机构。用户如 果想要利用这种科技成果,只能将自己写好的程序送到机房工作人员手中, 由工作人员依据某种原则(时间顺序或重要程序)逐一输入进行运算。用户 送去源程序后往往要等待若干小时甚至一两天才能取到结果,用我们现在人 的眼光看,这种操作方法真是其笨无比,但当时只能这样。显然,这种方法 对用户的时间(特别是远程用户)是一个极大的浪费,因此到了 60 年代,随 着操作系统的发展,出现了远程终端系统(如图 1—1 所示)。远程终端通过 电话线与主机相连,远程用户的数据通过远程终端、电话线送入主机,主机 执行后将结果通过电话线送到远程终端上。从这时开始,计算机和通信就发 生了关联,这种简单的“计算机—通信线路—终端”系统,构成了计算机网 络的雏形。它是由一台主计算机连接大量在地理位置上处于分散的终端构成 的系统,在这种系统中,除主计算机具有独立的数据处理能力外,系统中所 连接的终端均无独立处理数据功能。因此,这种系统还不能称之为计算机网 络,一般称为“面向终端的联机系统”。
在联机系统中,要利用电话在主计算机和终端之间传送


数据,显然需要一种能够进行信号转换的设备。这是因为主计算机或终 端发出的信号是二进制数字信号,而电话线只能传送连续的模拟信号。这种 完成数字—模拟(模拟—数字)转换的设备叫调制解调器(Modem)。调制解
调器的作用是在发送一方将二进制的数字信号转换成模拟信号,在接收一方 又将收到的模拟信号转换成计算机和终端能够识别的数字信号。
  对于主机来讲,计算机原本的主要作用是进行数据处理和计算,并没有 考虑到要进行与远程终端的通信,因此,联机系统的主机必须增设一个通信 控制部件,这个控制部件叫做线路控制器,其作用就是进行串行和并行的转 换,因为计算机内部信号的传输是并行传输,而通信线路上信号的传输是串 行传输;另一个作用就是进行简单的传输控制。
综上所述,面向终端的联机系统其简单的结构如图 1—2 所示。
随着与主机相连的远程终端数的增加,线路控制器的负担越来越重,线 路控制器又是在主机的控制下工作的,因此,计算机既要承担数据处理任务, 又要控制与终端之间的通信。












  主机的负担过于沉重,影响了它的工作效率。为了解决这个问题,人们 推出了通信处理机(或称前端处理机)。通信处理机是一台具有独立数据处 理能力的计算机,用来专门负责数据通信工作,从而实现了数据处理与通信 控制的分工,使主计算机能够更好地发挥出它的数据处理能力。
  另一方面,为了节省通信费用,提高通信效率,在终端比较集中的地方 可以设置集中器。集中器也是一台独立的计算机,它的作用是把终端发来的 信息收集起来,再用高速线路传给前端处理机,当主机把信息发给用户时, 集中器先接收由前端处理机发来的信息,经过处理再分发给用户。
  不论是通信处理机还是集中器,都是具有独立数据处理能力的计算机, 因此,这种系统就称为面向终端的多机系统,其逻辑结构如图 1—3 所示。 随着计算机应用的发展,出现了多台计算机互连的需求。这些需求主要 来自军事、科学研究及大型企业。他们希望将分布在不同地点的计算机系统
通过通信线路互连起来,能够


  彼此享用对方的信息资源。这样,用户既可以使用本计算机的软、硬件 资源,也可以使用连网的其他计算机的资源,以达到资源共享的目的。这一 时期研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局(ARPA)研制的 ARPANET。
1969 年美国国防部高级研究计划局提出将多个大学和研究机构的主计算机 互连的课题,当年 ARPANET 就研制成功,当时只有 4 个主节点,1973 年发展
到 40 个节点,到 1983 年其节点数已超过 10O 多个,覆盖了从美国本土到夏 威夷,欧洲的广阔地域。ARPANET 的投入运行标志着计算机网络的真正诞生, 它在概念、结构及网络设计方面都为以后计算机网络的蓬勃发展打下了基 础。
ARPANET 的研究成果对推动计算机网络的发展具有深远的意义。在它的
基础上,70、80 年代计算机网络得到了迅猛的发展,出现了大量的广域网和 局域网。广域网如美国的 Telnet、加拿大的 DATAPAC、日本的 Dox 等。局域 网如

















  Ethernet,剑桥环等都是 70 年代研制出来的。与此同时,一些大的计算 机公司纷纷开展了计算机网络研究工作,提出各种网络体系结构及网络协 议。总之,计算机网络从一出现,就以迅猛不可阻挡之势得到了飞速发展。
70 年代发展起来的很多网络系统经过适当修改与补充后目前仍在使用。
  到 70 年代末,计算机网络的发展出现了危机,这是由于各个国家、各个 公司都按照自己制定的网络体系结构和协议标准发展自己的网络。彼此之间 不统一,彼此之间要想进行通信变得很难,而且给用户的选择带来很大的难 度,用户一经选用某一公司的产品,就被限定了所有的部件只能选用该公司 的产品,否则寸步难行。现实使大家认识到,网络体系结构及网络协议只有 走国际标准化的道路,才能进一步发展。因此,80 年代,ISO 和 CCITT 等国
  
际标准化组织制定了一系列网络协议标准,加速了网络体系结构与协议国际 标准化的研究与应用。符合国际标准是衡量一个网络能否生存下去的首要条 件。
  进入 90 年代,计算机网络的发展达到了空前繁荣阶段,网络已进入寻常 百姓家,成为信息社会的支撑框架。网络的普及已对我们的经济、教育、科 技的发展,甚至我们的日常生活带来了重要影响。

二、计算机网络的定义与组成


  计算机网络是计算机技术与通信技术紧密相结合的产物,是计算机应用 到一定程度的必然产物。那么,什么是计算机网络呢?它又由哪些最基本部 件组成?这一小节回答这两个问题。
关于计算机网络,曾经有过好几种定义,目前网络界基本上倾向于资源 共享的观点。根据资源共享的观点,计算机网络是通过通信介质,把各个具
有独立功能的计算机连接起来建立的系统,它实现了计算机与计算机之间的
资源共享。这个定义中最重要的有两点:一是连网的计算机具有独立功能,
其意思是联网计算机在不入网时仍可作为一台独立的机器使用。这一点与联 机系统有本质的区别,在联机系统中终端依附于主机而存在,不能独立工作。 该定义的第二个核心是建立计算机网络的主要目的是实现资源共享。网络用 户可以使用本地资源,也可以通过网络访问远程连网计算机资源。
既然计算机网络的主要目的是资源共享,那么计算机网络就应提供数据
处理和数据通信两大基本功能。为了完成这两个功能,它的组成从结构可以 分成两部分:负责数据处理的计算机以及负责数据通信的通信处理机。典型 的计算机网络组成如图 1—5 所示,从逻辑上可分为两个子网:通信子网和资 源子网。






















  资源子网又称为用户子网,因为它直接面向广大上网用户。资源子网主 要负责全网的数据处理任务,向网络用户提供各种网络资源与网络服务。资 源子网主要由计算机,终端,各种连网外设及各种数据资源组成。
  连网的主机可以是大、中、小及微型计算机,通过通信线路与通信子网 的通信处理机直接相连。用户可以通过主机的终端入网,也可以直接通过主
  
机入网。随着微机的广泛应用,入网微机数已大大超过了大中型机。微机可 以作为主机直接通过通信处理机连入网内,也可以通过连网到大、中型机, 间接进入网内。
  通信子网主要完成全网数据的存储、转发等通信处理工作,主要由通信 处理机(CCP)通信线路及其他通信设备组成。
  通信处理机是计算机网络中完成通信控制功能的专用计算机,一般由小 型机或微型机配置通信控制硬件和软件构成。在不同的应用场合,通信处理 机有不同的名字,存储转发处理机、集中器、网络协议转换器等均属于通信 处理机。通信处理机一方面作为资源子网与通信网的接口节点,将资源子网 的主机,终端等连入网内,另一方面作为通信子网中的报文分组存储转发节 点,完成分组的转发、存储、校验等功能,使没有直接相连的节点之间的信 息交换成为可能。
  通信线路为各个部件之间提供通信信道。用于计算机网络的通信线路种 类很多,常见的有双绞线、同轴电缆、光导纤维及微波与卫星通信等,随后 的章节对这些组成通信线路的通信介质将作进一步的介绍。

第二节 计算机网络的分类及功能


  计算机网络的分类方法很多,但最主要的有两种分类法。一种是按照网 络的拓扑构形进行分类,另一种常用的方法是按照网络覆盖地理范围的大小 进行分类。

一、计算机网络的拓扑分类法


  “拓扑”是图论(几何学的一个分支)中的定义。那么,什么是拓扑呢? 简单的说,网络拓扑就是指网络节点通过通信线路连接所形成的几何构形, 或者说,这个网络从几何图形的角度看是什么样子的。计算机网络拓扑主要 是指通信子网的拓扑构形。
按照网络的拓扑构形来分,计算机网络可分为星型网、环型网、总线型
网和网状型网(如图 1—6 所示)。
<一>星型网的主要特点
  星型拓扑如图 1—6(a)所示,在这种构形中,存在一个中心节点。任 意一个节点与中心节点之间都通过单独的通信线路连接。中心节点控制全网 的通信,任意两节点之间的通信都要通过中心节点。
  星型拓扑构型简单,实现容易,且便于进行管理。但任意节点之间的通 信都要经过中心节点,中心节点出现故障将会造成全网的瘫痪,这样就要求 中心节点的可靠性要非常高,否则后患无穷。因此我们说星型网的可靠性相 对较低,而且信道的利用率极不充分。典型的星型网络有以电话交换机为中 心,通过拨号电话线路构成的 PABX 网。在 PABX 中,交换机是中心节点,网 络的工作受它的集中控制。
  星型拓扑的扩展形式称为树型拓扑(如图 1—6(c)所示)。在树型拓 扑的构型中,节点接层次进行连接,信息交换主要应该在上下节点之间进行, 相邻及层层节点之间进行极少量的数据交换。
<二>环型网

环型拓扑网如图 1—6(b)所示,网中各节点由各段线路连接成环状构 形,信息在环内单方向流动。环形网络具有以下两个突出特点:






















(1)环路上的信息必须单方向流动;
  (2)任一节点发送的信息都必须经过每一个节点,即必须绕环一周。 因此,环型网的传输延迟(即信息从发送节点到达接收节点所耗费的时 间)是可以确定的,但由于信息的传送要经过每个节点,任一节点出现故障 都将造成网络瘫痪。为保证环的正常工作,需要较为复杂的维护处理。关于
环型网在以后的章节中将作详尽的介绍。
<三>网状网
  网状拓扑结构网又称为无规则型,(如图 1—6(d)所示),正如它的 名字那样,网状结构网的节点之间连接成网型,无任何规律可言。网状拓扑 的主要优点是系统可靠性高,但结构复杂,维护困难,大型计算机网络一般 采用网状结构。
<四>总线型网
  以上几种网络都属于点一点连接网,即发送节点和接收点是一一对应 的,包括中转过程在内,发送节点发送的信息总是有明确的接收者。而总线 型网则属于广播型网,发送者发送出去的信息,网中所有节点都能收到,就 如广播一样。发送者和接收者之间是一对多的关系。
总线型网的结构如图 1—6(e)所示,网中的各个节点都挂接在一条公
共的总线(bus)上,这条总线是任意节点对之间通信的公共信道。 总线型网络最突出的特点是拓扑形式简单,易于扩充,是目前局域网中
最常见的一种拓扑。关于它的工作过程我们在局域网一章里将给大家作详尽 的介绍。

二、网络的地理范围分类法


  计算机网络的地理范围分类法是按照网络覆盖地理范围的大小而划分 的,可以分为局域网、域域网和广域网。
<一>局域网

  局域网(Local Area Network,LAN)的作用范围一般限于几千米,用于 将较小范围的(如一个实验室,一栋大楼,整个校园等)的各种计算机及外 部设备互连成网。局域网的作用范围小,入网设备便宜,网络管理简单,再 加上微机的日益普及,局域网成为发展最迅猛,应用最广泛的一种廉价网, 是计算机网络中最活跃的领域之一。它有自己独特的一套网络标准和体系结 构。
<二>域域网
  域域网(Metroplitan Area Network,MAN),又称为城市地区网。即它 的覆盖范围一般是一个城市。域域网是介于广域网与局域网之间的一种大范 围的高速网络。域域网设计的主要目标是满足几十千米范围内的计算机连网 需求,实现大量用户,多种信息(数据、声音、图象等)传输的综合性信息 网络。域域网目前还处于研究阶段。已经制定出完备的网络标准和技术规范, 主要包括分布式队列总线、光纤分布式数据接口及交换多兆位数据服务。其 中,光纤分布式数据接口已得到大量应用,而其余两种还未得到广泛普及。
<三>广域网
  广域网(Wide Area Network,WAN)也称远程网,它所覆盖的地理范围 从几十千米到几千甚至几万千米,覆盖一个地区、国家,甚至延伸至全世界。 计算机网络出现的初期,就是以广域网的面目出现的,局域网和域域网都是 在广域网技术已经成熟后才出现的。因此大量的网络标准及技术规范都是针 对广域网的,像 ISO 的 OSI/RM,X25,TCP/IP 等,这一点请大家注意。
网络覆盖的地理范围不同,它所采用的技术就不同,因此形成了不同的
网络技术特点与网络服务功能。当然,覆盖的地理范围越大,采用的技术越 复杂,管理就越难,造价也就越高。

三、计算机网络的功能


1.实现计算机系统的资源共享 对于用户所在站点的计算机来讲,无论是硬件还是软件,性能总是有限
的。但只要这台计算机联入网络,用户就可以像使用自己所在地的机器一样,
使用网中的某一台高性能计算机来处理自己提交的某个大型复杂问题,也可 以使用网上的高速打印机、绘图仪,更重要的是可以享用网上大量的软件资 源。用户可以使用网上已有的软件(有些大型软件根本不是用户机器能够运 行的)解决某个问题,可以读取大量的文件和数据,各种各样的数据库更是 取之不尽。随着计算机网络覆盖地域的扩大,信息交流越来越不受地理范围 及工作时间的限制,使得人类对所拥有的资源能够互通有无,大大提高了资 源的利用率,提高了信息的处理能力。
2.实现信息的快速传输 计算机网络是现代通信技术与计算机技术紧密结合的产物。分布在不同
地区的计算机系统可以及时、高速地传递各类信息,这对于像股票行情、期 化交易等经济贸易活动是急需的。
3.进行数据信息的集中和综合处理 当今社会是信息化社会,无论是商业、金融、文化、教育,还是科技领
域,每时每刻都在产生大量的信息并在大量地处理信息。将分散在各地的计 算机中的数据资料适时集中或分级管理,并经综合处理后形成各种各样的统

计资料,提供给管理者或决策者分析和参考。如政府部门的计划统计系统, 金融财政系统,地质资料的采集与处理系统以及自动订票系统等等。
4.均衡负载、分布处理 当网中某个计算机系统任务过重时,可以通过网络将某些任务传送到网
中空闲的计算机中处理,以调节忙闲不均的现象。地球上不同地区的时差现 象也为计算机网络的任务调配带来很大的灵活性,一般计算机白天的任务较 多,晚上的任务较少。时差正好为计算机网络提供了半个地球的调度余地。 另外,对于综合性的大型问题还可以采用适当的算法,将任务分散到网中的 不同计算机上进行分布式处理。
第二章 数据通信基础


第一章我们多次提到,计算机网络由通信子网和资源子网所组成,通信 子网又由通信控制机(中转节点)和通信线路组成,那么这些中转节点和通 信线路是如何完成信息的传送任务呢?我们以图 2—1 加以说明。











  假定主机 A(HA)要与主机 B(HB)进行通信,而 HA 与 HB 之间并没有直 接相连的线路,HA 和 HB 如何建立起联系呢?典型的过程是:HA 将数据发送给 通信节点 1,节点 1 将收到的信息存储起来,由它来决定传送给哪一个节点 才能高效到达 HB,比如选定节点 2。节点 2 同样以存储转发的方式将信息传 送给节点 3,节点 3 传送给节点 5 最终到达 HB。也就是说,HA 发送的信息通
过 1→2→3→5 的路径最终到达 HB。
为了完成这个通信过程,需要解决以下几个主要技术问题: 第一,数据在传输过程中的表示方式。 我们知道,数据在计算机中是以二进制数字表示的,即计算机数据都是
数字数据。但在数据通信过程中,数据是以数字信号方式表示,还是以模拟
信号方式表示,主要取决于所选用信道允许传输的信号类型。 通信信道允许传送的信号类型分为两类:数字信号和模拟信号,相应地
数据传输方式分为基带传输和频带传输两类。 第二,数据通信方式。
  数据通信方式包括串行通信或并行通信,单工通信或是双工通信,异步 方式通信或是同步方式通信。
第三,数据在通信子网中的传输方式。 数据在通信子网中的传输方式分为线路交换和存储转发两大类。存储转
发方式是计算机网络中普遍采用的传输方式,又可分为报文交换和分组交 换。
第四,差错控制方法。 实际的通信信道总是会出差错的,为保证网中传输数据的正确性,通信

子网必须提供一定的检错、纠错措施。 数据通信的差错控制方法分为两类:一种方法是通过接收者检查出错
误,再通知发送者要求重发;第二种方法是接收者检查出错误后,自己能够 恢复到正确。前一种方法称为反馈重发,采用的编码叫检错吗,后一种方法 称为前向纠错,采用的编码叫做纠错码。反馈重发方式得到了更为广泛的应 用。
第五,采用什么样的传输介质。 传输介质指用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路,常见的有双
级线、光纤等。本章的目的就是向大家回答这些问题。

第一节 通信系统常用术语


不论通信系统采用哪一种通信方式,对一个通信系统来说,它都必须具 备三个基本要素:信息源,信息目的和信息传输介质,如图 2—2 所示。






一、模拟通信系统/数字通信系统


  如果通信介质上传输的是模拟数据,则这种通信系统统称为模拟通信系 统;如果通信介质上传输的是数字化的数据,则这种通信系统称为数字通信 系统。对于计算机通信来讲,计算机发出的数据是离散化的数字数据,因此, 计算机之间的通信系统有如图 2—3 所示的两种形式。

二、信道/传输介质

上面还提到一个术语:信道。所谓信道即信号传输的通道,它与传输介
质是有区别的;传输介质指用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路, 如电话线、同轴电缆等。通信信道是建立在传输介质之上的,一条信道传输 一路信号。由














  于信号在传输时可以采用多路复用技术,因此,一条物理传输介质上可 以建立多条信道。

三、调制解调器


数字数据通过模拟信道传输时,在信号源与传输介质之间需要一种信号
转换设备,将信号源发出的数字信号转换成信道可以接收的模拟信号,这个 转换过程称为调制,完成调制功能的设备称为调制器。在传输介质与目的地 之间也需要信号转换设备,将模拟信号转换成接收者能够识别的数字信号, 从模拟→数字的转换过程称为解调,完成解调功能的设备称为解调器。一般 调制器和解调器是共存于一个设备中的,称为调制解调器(Modem)。调制解 调器是数据通信系统中最常用的通信设备之一,我们将在第三章介绍广域网 时作较为详尽的介绍。



四、数据传输速率


  在数据通信系统中常用的速度单位有两个;比特率和波特率。比特率是 该通信系统每秒能够传输多少位二进制数,单位是比特数/秒(bits/s),简 称为 bps。波特率指传输信道上每秒经过多少个波形,常称为波形速率或调 制速率,单位是波特(baud)。波特率不一定和比特率相等,因为一个波形 信号可能包含多个二进制位,因而每传送一个信号可能要传输多个二进制 位,最典型的例子就是后面要讲到的数字数据的多相调制,比如四相调制, 用四个相位分别代表二进制组合 00,01,10 和 11,这时每传输一个波形就 能传输两位二进制数。比特率就是波特率的二倍。

五、误码率


  误码率是衡量通信线路质量的一个重要参数。误码率的定义为:数字信 号在传输系统中被传错的概率。它近似等于被传错的二进制位数与所传二进 制位总数的比值。计算机通信要求误码率低于 10-9,而对于一些特殊的应用, 比如银行电算化,误码率则要低于 10-11,甚至更低。

六、信号带宽/信道带宽


  信号通常都是以电磁波的形式传送的,电磁波都有一定的频谱范围,该 频谱范围就称为该信号的带宽。理论上任何一种连续的信号频谱总是无限宽 的,但在实际应用中,信号带宽指信号能量比较集中的那个频率范围。
  信道带宽指信道上能够传送的信号的最大频率范围,如普通电话信道的 带宽是 300~3400Hz。

         第二节 数据通信方式 一、串行通信/并行通信

  串行通信方式是指数据流在信道上传输时任一时刻信道上只有一位在传 输。而并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输,常 用的方式是将组成一个字符的几位二进制分别通过几个并行的信道同时传输
  
(如图 2—4 所示)。 并行传输的效率高,但要求收发之间同时存在若干个信道,对于远程通
信来讲,此代价显得过于高了一些。因此,计算机与计算机之间的通信极少 采用并行方式,只有计算机各部件之间的通信(如 CPU 与存储器之间,CPU 与输入输出口之间等)才采用并行方式。串行方式虽然相对效率较低,但串 行通信的收发两方只需要有一条传输信道,易于实现,因此是通信系统目前 主要采用的一种方式。
  串行通信带来的一个问题是:由于在计算机中不论是字符还是数据都用 若干位二进制比特(bit,位)的组合表示,比如字符‘A’的 ASCII 码表示 为‘01000001’,字符 B 的 ASCII 码表示为‘01000010’。假定节点 1 与节
点 2 之间要传送字符‘A’和字符‘B’,节点 1 顺序发出 0,1,0,0,0,0,
0,1,1,0,1,0,0,0,0,1,0,那么节点 2 怎么样才能做到将收到的这
16 位看作是‘01000001’和‘01000010’两个组合而不会看作别的组合呢? 也就是说收方如何在一大串二进制







































图 2-4 串行/并行通信方式
  位流中提取出一个个字符呢?这实际上涉及了串行通信中的另一个问 题:字符的同步。

二、单工/双工通信


数据传输的双工性,是指一条传输线路上数据流的方向及其时间关系。
它有三种方式:
  (1)单工方式。在单工方式数据传输中,线路上的数据总是朝一个方向 流动,不可反方向流动,如图 2—5(a)所示。比如,计算机与打印机,计 算机与键盘之间的传输就是以单工方式进行的。在有些情况下,虽然不能反 向传输数据,却有一条低速的辅助信道用于传输对方的差错或控制方面的反 馈信息。但因为只有单方向的数据通道,所以仍属单工传输。
  (2)半双工方式。在半双工方式数据传输中,传输线路上的数据允许双 方向流动,但不能同时双向流动,如图 2—5(b)所示,这要求通信双方都 要具有不同时工作的发送和接收机构。这种方式在通信系统中得到了广泛应 用,因为它具有控制简单、可靠、通信成本低等一系列优点。
  (3)全双工方式。在全双工方式数据传输中,数据被允许在通信的双方 同时双方向流动,如图 2—5(c)所示。这种传输方式要求通信双方具有能 够同时工作的发送和接收机构,而且还要求具有两条性能对称的传输信道。 这种方式的传输效率是半双工方式的两倍,在高速网络中得到了广泛应用。

三、同步/异步传输


我们说串行通信首先应该解决的就是字符的同步问题。同步是数据通信 的基本要求之一,发送方沿传输介质逐位向




















  接收方发送信息,接收方必须知道一组二进制位的开始和结束。接收方 还要知道每一位的持续时间,以便决定以什么样的时间间隔(频率)进行采 样。通常接收方在每一位的中间取样,如果收发两边的时钟不同步,也就是 说有误差,就算误差不大,比如说接收方的时钟比发送方的时钟慢一位持续 时间的 5%。采样第一位时比中间位置偏 5%,这一位当然不会出错。但继续 这样采样下去,偏移越来越多,到某一位时,将会采样到前一位上。由于发 送方和接收方的时钟信号不可能绝对一致,如果没有一定的同步手段,总会 因二者不同步而出现混乱。
计算机通信系统中提供两种同步手段,这就是异步传输和同步传输。
(一)异步传输

  这是通信系统中最早采用的同步措施,也是最简单的一种同步措施。具 体实现是:每次传输一个字符时,前面用起始位作为开始的标志,后面用停 止位标志该字符的结束。起始位为‘0’,持续时间为一位时间;停止位为‘1’, 持续时间可以是一位,一位半或两位,具体选多少取决于所选用的通信标准。 典型的异步传输数据格式如图 2—6 所示。





  在本例中,传输两个字符,第一个字符的编码是‘10010111’,第二个 字符的编码是‘11000100’,每个字符为 8 位,起始位为 1 位,停止位为 2 位。接收器根据从 1→0 的跳变识别一个新字符的开始,起始位随后的 8 位是 有效数据位,两位停止位标志着该字符的结束。在这种方式中,接收器的时 钟仍然要与发送时的时钟同步(即采样间隔,或者叫采样频率要保持一致), 但由于每个字符都用起始位和停止位作为一个小单位隔离出来,对时钟的精 度要求就降低了。一个字符一般由 5~8 位组成,加上起始位和停止位,收发 双方只要能做到在十几位同步就可以了。统计表明,除非收发双方的时钟偏 差超过 50%(这样的时钟当然属于淘汰之列),就算是每次采样有一定的偏 差,但在十几位的时间里,不会产生采样到别的位上的错误。
异步传输的同步以一个字符为单位,因此也称为字符同步方式。这种方
式简单易行,但传输效率比较低。因为每 5~8 个有效位就要加上 2~3 位控 制位,有效率只有 8/10,(如果有效位只有 5 位,效率将会更低)。因此异 步方式广泛用于低速线路中,比如计算机与终端的连接,计算机与调制解调 器的连接等。
如果大家留心察看一下,就会发现所有的计算机都提供异步通信口,即
使微机也提供一到两个以上的异步通信端口。
(二)同步传输
  同步传输是通信系统中另一种同步方式的传输,称为位同步。同步传输 以位块为单位进行传输,一个位块一般包括 1000 多个字符,每个字符不需要
起始位和停止位。为了防止发送方与接收方发生不一致,接收时钟和发送时 钟必须同步。同步方法可以分为外同步和自同步两种。在外同步法中,接收 者的时钟频率由发送方的设备进行控制。自同步法中,所传输的数据自身就 包含着时钟特征,也就是说对同步传输的字符必须采用特定的编码,具体采 用什么样的编码将在下面给予介绍。既然传输数据中包含着发送时钟,接收 方就可以从中提取出与发送时钟一致的时钟信号作为接收时钟信号,这样接 收和发送时钟就自动同步了。
  为了使接收过程与发送过程同步,除了要求双方时钟同步外,接收方还 必须能够准确判断发送数据的开始和结束。通常的做法是在数据块的前面加 一个一定长度的特殊位组合作为位块开始的信号,即所谓“前文”。在数据
  
结束时也加上一个特殊位组合作为位块结束的信号,即所谓“后文”。数据 块加上“前文”、“后文”及必要的控制信号,就构成了“帧”。
  “帧”是同步传输的基本传输单位,实际上也是数据链路层的数据处理 单位,帧的发送与接收及帧的形成是数据链路层重点解决的问题。

第三节 数据编码技术


  在计算机中数据是以二进制 0、1 比特序列方式表示的,而计算机数据在 传输过程中采用什么样的编码取决于它所采用的通信信道所支持的数据类 型。计算机网络中常用的通信信道分为两类:模拟信道和数字信道。所谓模 拟信道指其上只能传送模拟信号,也就是电流或随时间连续变化的信号。而 数字信道指传输数字信号的信道,数字信号指电流或电压随时间不连续变化 的信号,或者叫离散信号。计算机发出的二进制数据信号就是典型的数字信 号。
既然通信信道分为模拟信道和数字信道,相应的用于数据通信的数据编 码方式也分为两类:模拟数据编码和数字数据编码。计算机网络中常用的数 据编码方式归纳为:













一、数字数据编码


  我们知道,计算机发出的数字信号 0 和 1 是用两个不同的电平表示的, 形成矩形脉冲信号,这种没有经过调制的原始数字信号称为“基带信号”, 在通信信道中直接传输基带信号称为“基带传输”。基带信号虽然不需要调 制,但却要经过一定的编码才能传输。最常用的数字信号编码技术有以下几 种:
(1)非归零码 NRI;
(2)曼彻斯特编码;
(3)差分曼彻斯特编码。
<一>非归零码
  非归零码 NR2(Non-Return to Iero)的波形如图 2—7(a)所示。NR2 码用直流电平“1”和“0”表示二进制的“1”和“0”。在本例中,正电平
(比如+5V)表示“1”,用负电平(比如-5V)表示“0”。在一个二进制位 的宽度内电平保持不变。NR2 码是最容易实现的,实际上是直接将计算机发 出的信号加到通信线路上,未作任何处理,代价也最低。但 NR2 码的缺点是 接收方无法判断一位的开始和结束,即不具备同步特性;另一个缺点是含有 直流分量(请大家考虑连续多个“1”或连续多个“0”的情形),而数据传 输中最不希望存在的就是直流分量。因此 NR2 码在实际中应用不多。

<二>曼彻斯特编码
  曼彻斯特(Manchester)编码是目前应用最广泛的编码方法之一。曼彻 斯特编码的特点是在每个位时间内(一般在中间)有一次信号跳变,使接收 端可以利用这一跳变信号作为提取一位数据的依据,这就是所谓的自同步信 号。典型的曼彻特编码波形如图 2—7(b)所示。在本例中,曼彻斯特编码 在每一位的中间产生一次跳变,从 1→0 的跳变表示“1”,以 0→1 的跳变表 示“0”。由于这一跳变在每位的中心产生,因此这一跳变同时表示了数据和 发送时钟。
  曼彻斯特编码的优点是:①由于每一位的中间都有一次电平跳变,因此 提取电平跳变可以作为收发双方的同步信号,发送曼彻斯特编码时无需另发 同步信号。这是自同步信号得到广泛应用的主要原因。②曼彻斯特编码信号 不含直流分量。
但曼彻斯特编码的缺点是传输效率低,因为每一位要占用两个波形。
<三>差分曼彻斯特编码
  差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进,它与曼彻斯特编码的不同 之处主要表现在:
(1)每一位中间的跳变只作提取时钟之用;
(2)每一位数据的值根据起始处有无跳变来决定。 典型差分曼彻斯特编码的波形如图 2—7(c)所示,在图中,每位开始
时有跳变表示数据“0”,每位开始时无跳变表示数据“1”。
二、数字数据的模拟编码 上面所说的数字信号传输属于基带传输,信道中传输的信号仍然是数字
形式的脉冲信号,但现在世界上还存在另一种传输信道,其上只能传输模拟 信号。典型的模拟信道就是我们所熟知的电话通信信道,它是目前世界上覆 盖面最广、应用最普遍的一类通信信道。无论网络与通信技术如何发展,电





  话信道仍然是一种基本的通信手段。大量计算机之间的通信(特别是远 程通信)在今后很长一段时间内需要要借助于电话通信信道。但传统的电话 信道是为传输语音信号而设计的,只适用于传输音频范围(300—3400Hz)的 模拟信号,无法直接传输计算机发出的数字信号。为了利用传输话音的电话 网传输计算机数据,必须首先将数字信号转换成模拟信号。我们将数字信号 变换成模拟信号的过程称为调制(modulation),将模拟信号还原为数字信
  
号的过程称为解调(demodulation)。一般调制功能和解调功能是做在一个 设备中的,这种同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器(Modem)。 数字数据的模拟化是借助于载波实现的。载波是频率、幅度都固定的周
期信号,通常是正弦信号。用数字数据对周期信号的参数进行控制,或者说 将数字数据与周期信号进行叠加,然后将叠加后周期信号发送出去。接收方 再从收到的周期信号中去掉载波就可以得到数字信号了。周期信号正好起到 了载体的作用,因此称为载波。采用这种方式,我们就可以利用模拟信道传 输数字数据了。
  我们知道,频率、幅值和相位是同周期函数的三个重要特征,把一个数 字数据调制成模拟信号,就是用一个数字数据控制周期信号的幅度、频率或 相位。根据数字信号对幅度、频率或是相位进行控制。数字数据的模拟编码 分为:幅移键控法;频移键控法;相移键控法。下面分别进行介绍。
<一>幅移键控法
  幅移键控法(Amplitude-Shiftkeying,ASK)或称调幅法,它用载波信 号的振幅表示数字信号的“1”和“0”。用载波幅度为 1 表示 1,用载波幅 度为 0 表示数字 0 的 ASK 信号图形如图 2—8(a)所示。
  幅移键控法简单易行,但抗干扰能力差(有直流信号),传输效率低, 是一种低效率的编码方法,一般只用于数据传输速率不高于 1200bps 的情 况。
<二>频移键控法
  频移键控法(Frequency-Shiftkeying,FSK)或称调频法,它通过改变 载流信号的频率表示数字信号 1 和 0。在图 2—8(b)中,用频率 f1 表示数
字 1,用频率 f2 表示数字 0。图 2—9 可以帮助我们进一步理解 FSK 的工作原
理及用法。该图是贝尔系统 108 系列调制解调器的设计说明。电话线上可以 传输 300~3400HZ 的声音信号。为了进行全双工传输,带宽在 1700HZ 处分成 两部分。一个传输方向的中心频率为 1700HZ,从中心频率处向左、右两边分 别移 1000HZ,则代表数字信号 1 和 0,即 1 和 0 的频率分别为1270HZ 和1070HZ。 另一个传输方向的中心频率为 2125HZ,各向左、右移动 100HZ 后的两个频率
分别为 2225HZ 和 2025HZ,分别代表 1 和 0。

图 2-8 数字数据模拟信号编码


  频移键控法实现容易,技术简单,抗干扰能力强,是目前最常用调制方 法之一,普遍用于中速线路中。
<三>相移键控法

  相移键控法(Phase-Shife keying,PSK)又称调相法,它利用载波的 相位变化表示数据 0 和 1。最简单的调相法是二相调制,其波形如图 2—8(c) 所示。
  在图例中,用起始相位有无变化表示数字 1 和 0。起始相位无变化,表 示数字 0。而在每位 1 信号的前沿,载波信号的相位突变 180°。
除了二相调制外,还经常用到四相调制、八相调制。所谓二相调制,指 传输系统可以传输两种信号即‘0’和‘1’两
















  种状态,对应的相位变化分别为 0 和 180°。而四相调制,数字数据单 元为两位二进制数,共有 00,01,10 和 11 四种状态,对应的相位偏移为 0、
90°和 180°和 270°。在四相调制中,一个波形就可以表示两位二进制数,
四相调制的波形如图 2—10 所示。同样的道理,八相调制法一个波形可以表 示三位二进制数(000,001,010,011,100,101,110,111 中的一个组合), 对应的相位偏移为 0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°。 相位调制法抗干扰能力强,而且比频率调制法效率更高,因此是目前数 字信号模拟化中最常用的方式,特别是在高速调制解调器中,几乎全都采用
调相法。
上述三种调制方法还可以组合起来使用,最常见的是 PSK 与 ASK 的结合。 例如,某种 Modem 采用八个相位调制,同时还具有两种幅值,结合起来就可 以表示四位二进制的 16 种状态。


















三、模拟数据的数据编码

  与模拟信号传输相比,数字信号传输失真小,误码率低,数据传输速率 高。因此除数字信号直接在数字信道上传输外,声音、图象等模拟信号的数 字化也成为发展的必然趋势。模拟数据的数字化就是要把连续信号分别割成 若干个离散信号,再将这些离散信号定量化,用数字数据表示。脉冲码调制 PCM 和 DM 调制是最常用的两种模拟数据数字化的编码方法。
<一>PCM 技术
  模拟数据的数字化包括三个步骤:即采样、电平量化和编码。所谓采样 就是每隔一定的时间对模拟数据进行取样。采样所得到的值就代表采样间隔 内模拟信号的值,如图 2—11 表示。在采样时间间隔为 T 的情况下,我们顺 序采样得该模拟信号的幅值分别为:4.6,5.2,1.9,1.0,3.6,6.1,5.2,
3.2,3.6,4.8,4.2,2.8 和 2.0。得到的采样值要经过一定的措施(比如四 舍五入)变成整数,亦即进行电平量化,得到幅值 5,5,2,1,4,6,5,3,






4,5,4,3,2。





  显然,采样频率越高(或者说采样时间间隔越小),根据采样值恢复原 始模拟信号的准确性就越高。理论研究指出,如果以等于或大于通信道带宽
2 倍的速率定时对信号进行采样,就可以足够准确地重现原始信号。
  对采样值进行取整、量化后,下一步就是进行编码了。编码是用若干位 二进制数来表示采样并取整得到的量化幅度。在图 2—11 中,用三位二进制 编码表示采样得到的幅值,因此共有八个量化级,这些采样值的编码分别是
101,101,010,001,100,110,101,011,100,101,100,011,010。经 过这样三个步骤后就把一个连续信号数字化为二进制编码的数字信号了。
  PCM 技术的典型应用是语音数字化。实际编码时,将声音分为 128 个量 化级,每个采样值采用 7 位二进制编码表示。由于采样速率为 8000 次/秒, 因此利用数字信道传输声音时,要求信道的传输速率要达到 7 ×
8000bit/s=5bkbps。
<二>DM 调制
  PCM 的缺点是使用二进制位数较多,因此传输效率比较低。研究表明, 许多模拟信号(比如音频信号)一般是一种舒缓的信号,很少有尖脉冲出现, 因此可以通过比较相邻两次采样的方法来实现,这就是 DM 调制。
  
  这种调制技术用一个数字化的阶梯函数近似代替原始输入的模拟信号。 采样时将当前信号值与前一次采样值比较,如果当前值大于前面的值,DM 编 码为 1,阶梯函数的幅值增加一个单位幅度。如果当前值小于前一个值,DM 编码为 0,阶梯函数幅值下降一个单位。每次采样值只需要用一位二进制(0
或 1)表示,与 PCM 方式相比,采样频率相同时,DM 方式输出信号的位数要 少得多。而在保持数据信道上数据传输率不变的前提下,DM 方式可以采用更 高的采样频率,因此恢复原始信号的准确度更高。











图 2-12 DM 调制

第四节 数据在通信子网中的交换方式


  我们在上一章给大家介绍网络的组成时已经知道,要求通信的双方有可 能有直接线路相连,也有可能没有直接相连的线路,而是通个多个节点的中 转才能建立起联系。那么信息是通过什么样的传输渠道从发送方到达接收方 呢?通信系统中存在两种截然不同的方式:线路交换和存储转发交换。

一、线路交换


  交换(Switching)这一概念最早来自于电话系统。电话网中使用线路交 换方式,它以在收发双方建立起电路连接为目的。当用户打电话时,首先要 摘机拨号。拨号完毕,当地交换机就可以作出决定,该用户是要和本局的用 户通信或是和别局的用户通信还是和外地的用户通信。交换机将会根据具体 情况分别进行处理。以长途通话为例,当地交换机将与通信地的交换局建立 起联系,通信地的交换机将与通话号码指定的用户建立起联系。这样,发话 方和受话方经过双方所在地的交换机(实际情况有可能经历的交换机数不止 这两个)建立起一个线路连接,即独占这条路,开始通话。通话结束,交换 机将双方的线路断开,为双方各自开始一次新的通话作好准备。因此,线路 交换就是通信时在通信双方建立起一条直通线路,通信完毕断开。
我们可以利用图 2—13 说明线路交换的过程。



假定主机 A 与主机 B 要进行通信,那么在通信子网中,节点 1 是源节点,
节点 6 是目的节点。通信开始时,主机 A 向节点 1 发出通信请求(比如电话 通信中的拨号),要求连接到主机 B。节点 1 根据通信线路的负载、费用等 情况选择一条可通向节点 6 的空闲线路,比如选择到节点 3。节点 3 依据同 样的原则选择节点 5,节点 5 选择节点 6。节点 6 已有专线连到主机 B。至此, 一条从 A 至 B 的通路就建立了起来。A 与 B 通过 A→①→③→⑤→⑥→B 的专 用线路执行数据传输。
在传输过程中,任何别的站都不能再使用 A→1,1→3,3→5,5→6 及 6
→B 这几段线路。 数据传输完毕,由任一主机主动发出拆线指令(电话通信时挂机),沿
通路各个线路段将予以拆除,使各个线路段成为可用资源。 线路交换方式的优点是:①传输延迟小。通路建立起来后,唯一的延迟
就是电信号的传输时间。②通路一旦建立起来就不会再有竞争者竞争线路。 因此,线路交换非常适合话音等实时性传输业务。
  线路交换的缺点是:①建立通路所需的时间比较长,经常需要 10 秒甚至 更长时间。这个时间对于人来讲可以忍受,但对于快速运行的计算机来讲就 是极大的浪费。②线路的利用率很低。因为通信双方之间的通路一旦建立, 即使双方不传送信息,整个通路上的任何一个线路段也不能为其他用户使 用,直到线路拆除为止。

二、报文交换


  在电话通信中,由于讲话双方总是一个在讲,一个在听,因此线路空闲 时间占大约 50%。如果考虑到讲话过程中的停顿,那么还要多一些。不过, 这样的情况被认为还是可以容忍的。在计算机通信中,由于人机交互(比如 敲键盘,读屏幕)的时间比计算机进行通信的时间要多得多,如采用线路交 换方式,线路空闲时间可高达 90%以上。这一方面浪费了宝贵的通信资源, 另一方面使用户承担了许多无谓的通信费用。因此,计算机通信采用线路交 换被认为是行不通的。计算机数据交换一般采用另一种数据交换方式,即存 储转发方式或称报文交换。
存储转发方式不要求交换网为通信的双方预先建立一条专用的数据通
道。仍用图 2—13 来说明,如果主机 A 想发送一条信息(在数据交换网中称 为一份报文)给主机 B。可在待发的报文前面附上 B 的地址,发送给节点 1。
报文从 A 发到节点后,A→①之间的线路段就变成空的。节点 1 先将报文完整 地接收并存储起来,然后根据各路径的负载、代价及空闲情况等选择合适的 线路段发送给下一个节点,比如节点 3。每个节点都对报文进行这样的“存 储—转发”,最终到达主机 B。因此称为存储转发交换。可见,报文在交换 网中完全是按照接力的方式传送的,任一时间报文只占用一个线路段。通信 的双方事先并不知道报文所要经过的传输路径,每个报文只是经过了一条逻 辑上存在的通路。比如本例中 A 站的报文经过“A→节点①→节点③→节点⑤
→节点⑥→B”的通路。 在存储转发方式中,任何时刻一份报文只在一个线路段上传输,每一个
线路段对报文的可靠性负责。这样带来的好处是:①不必要求每段线路传输

速率相同,因而也就不必要求两端计算机工作于相同的速度;②由于接力式 工作,任何时刻一份报文只占有一条线路段,不必占用整个通路。而且,通 信双方即使一直保持着用户之间的联接,只要不传输数据,就不占用任何通 信资源,大大提高了通信资源的利用率。
  目前计算机通信网几乎无一例外全都采用存储转发方式,因此有时也把 数据通信子网称为交换网。

三、分组交换


  上面的交换方式称为报文交换,即每次存储/转发以一份报文为传输单 位。所谓报文(Message),就是收发双方要交换的一份信息,比如一份文件、 一个通知或者一个程序等等。因此报文可以很长,比如一篇文章,也可以很 短,比如一个关机的通知。这就带来一个很大的问题:各个节点的存储空间 应该设多大呢?太大了,传输短报文时是一种浪费;太小了,传输长报文时 又不够用。因此,实际应用中采用的是所谓分组交换。分组交换与报文交换
依据完全相同的机理,唯一的区别在于参与交换(即存储/转发)的数据单元 的长度不同。分组交换的数据单元不再是一份完整的报文,而称为分组
(packet)或包。一个交换网的分组其长度是固定的,一般为 1000~2000
个字节。通信双方要交换一份报文时,往往将报文分割成若干个分组,每个 分组都附上地址及其他控制信息,然后这些分组按序发送到交换网。交换网 采用两种不同的传输方式处理这些来自同一份报文的分组。
<一>数据报方式
  交换网对进网的任一个分组都当作独立的“小报文”进行处理,而不管 它是属于哪一个报文。仍以图 2—13 为例进行说明。假定主机 A 将待传的报 文划分成 3 个分组(P1,P2 和 P3),按照 P1,P2,P3 的顺序发送给节点 1。
节点 1 每收到一个分组先存储起来,然后分别对它们进行单独的路径选择。 比如可能将 P1 送往节点 7,将 P2 送往节点 3,将 P3 也送往节点 7。具体送往 哪个节点,完全取决于当时各线路段的情况。下一个节点对每一个收到的分 组也依此处理。在本例中,P1 可能经过①→⑦→⑥到达 B,P2 经过①→③→
⑤→⑥到达,而 P3 则经过①→⑦→③→⑤→⑥到达。由于每个分组都带有终
点地址,所以虽然它们不一定通过相同的路径,但最终都能到达目的节点 6。 这些分组达到目的节点的顺序也可能被打乱,这就要求目的节点(节点 6 或 主机 B)负责分组的排序和重新装配成报文。
<二>虚电路方式
  分组交换的虚电路方式是:发送站在发送报文之前,先发送一个“请求 发送”报文,这个报文很短,一般只有几十位,一个分组就可以包容。请求 发送报文携带有目的地址,进入交换网后,会走过某一条路径到达目的站。 请求报文经过的路径应作为待发送报文通往目的站的路径,该报文的所有分 组都要沿着这条路径进行存储/转发式传输,不允许节点对分组作单独的处理
和另选路径。仍然以图 2—13 为例。假设 A 站的报文分为 P1、P2、P3 三个报
文要送往 B 站去。A 站首先发一个“呼叫请求”分组给节点 1,要求连接到 B 站。节点 1 根据路经选择的原则将这一请求分组转发到节点 2,节点 2 又将 该分组转发给节点 5,节点 5 转发给节点 6,由节点 6 通知 B 站,这样就初步

建立起一条 A→1→2→5→6→B 的逻辑通路。如果 B 站准备好接收报文,就发 送一个“呼叫接收”分组给节点 6,沿着 6→5→2→1 的路径到达 A,从而 A 确认这条通路已经建立,并给这条通路分配一个逻辑通路号。此后,P1,P2, P3,都附上这一逻辑通路号,顺序沿着这条通路到达目的站 B。全部分组到
达 B 站后,任一站都可发送一个“清除请求”分组取消这条通路。 虚电路交换的主要特点是:要求一个报文的所有分组都必须沿着预先建
立的虚拟通路进行传输。但请大家注意,这条通路是一条虚拟的,它不像线 路交换方法那样,通信双方独占整个通路,而是任何时刻分组只占用一个线 路段,所有的分组都要经过同样的路径进行存储/转发。

         第五节 差错控制方法 一、差错产生的原因

  传输差错是指数据通过信道的传输后,接收方收到的数据与发送方不一 致的现象,简称为差错。通信系统差错的产生是不可避免的,图 2—14 给出 差错产生的过程。
当数据信号从发送端出发,经过通信信道时,由于通信信道中总会有一
些干扰信号存在,在到达接收端时,接收信号是发送信号和干扰信号的叠加。 接收端对接收到的信号按照发送信号的时钟进行取样,如果干扰信号对信号 叠加的影响过大,取样时就会取到与原始信号不一致的电平,这样就产生了 差错。
通信信道上的干扰信号分为两类。一类是由传输介质的电子热运动产生
的。这类干扰信号的特点是:时刻存在,但幅度较小,对传输信号的影响较 弱,提高传输介质质量是消除这类干扰的有效办法。还有一类干扰信号是由 外界电磁干扰引起的,这类干扰信号的出现无任何规律可言,而且幅度较大,






是引起传输差错的主要原因。


二、检错码与纠错码


  既然传输差错是不可避免的,那就只能承认这个事实。想提高通信信道 的传输质量,只有在接收端对收到的数据进行检测,并进行纠正。这种方法 在通信系统中称为差错控制。
  差错控制的主要目的是减少通信道造成的传输错误,目前主要采取两种 策略:第一种策略是让每个传输分组带上足够的检测信息,以便在接收端能 发现错误并根据这些附加的检测信息还原出原始信息,即所谓检错方案,这 些检测信息就称为检错码。第二种策略是让分组中附加一定的检测信息,使 接收端能够发现接收的信号中有错误,但不能确定哪一位是错误的,只能通 知发送方要求重发,这种方案称为纠错方案,这些附加的检测信息称为检错 码。纠错码方案虽然有其优越之处,但实现方法复杂,造价高,一般很少采
  
用。在通信系统中广泛得到应用的是检错码。

三、常用检错码

目前常用的检错码有两类:奇偶检验码和循环冗余码(C 与 Cyclic
Redundancy Code,CRC)。
<一>奇偶校验码
  奇偶校验码的实现原理非常简单。分为水平奇偶校验,垂直奇偶校验和 水平垂直偶校验。
1.水平奇偶校验 水平奇偶校验以一个字节为一个校验单位。在每个字节的尾部加上一个
校验位,构成带有校验位的码组,使得码组中‘1’的个数为偶数个(偶校验) 或奇数个(奇检验)。进行数据传送时,把整个检验码发送出去。比如有两 个字节分别是 10110110 和 11101110,它们的奇校验码分别对应为 101101100
和 111011101,使这两个码组中‘1’的个数为奇数个。 接收端在收到信号后,对每个码组检查其‘1’的个数,如果‘1’的个
数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)就认为收到的数据正确,否则认为该 码组有错,要求发送方重传。
显然,奇偶校验只能检测出码组中有奇数个位出错的情况,如果正好有
偶数位(2 位、4 位、6 位等),奇偶校验是无能为力的。
2.垂直奇偶校验 垂直奇偶校验是在整个数据段所有字节的某一位上进行奇偶校验,如表
2—1 所示,该数据段由 8 个字节组成,垂直奇偶校验分别对所有字节的第 0
位、1 位??7 位进行。该表中是进行奇校验。

表 2 — 1 垂直奇偶校验
位 7 位 6 位 5 位 4 位 3 位 2 位 1 位 0 字节 1 1 0 1 1 0 1 1 0 字节 2 1 1 0 1 0 0 1 1 字节 3 1 1 1 0 0 1 0 0 字节 4 0 0 0 0 1 0 0 0 字节 5 1 1 0 1 0 0 0 1 字节 6 0 1 0 1 1 0 1 0 字节 7 0 0 1 1 1 1 1 0 字节 8 1 0 0 1 0 0 0 1 校验字节 0 1 0 1 0 0 1 0
表 2 — 2 水平垂直奇校验
    位 字 节
位 8 位 7 位 6 位 5 位 4 位 3 位 2 位 1
水平校验位 字节 1
字节 2
字节 3
字节 4
字节 5
字节 6
字节 7
字节 8 1 0 1 1 0 1 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 1 0 1 1 0 1
1 1 1 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0 1
1 1 0 0 1 1 0 0
1 0 1 0 1 1 0 1
0 1 0 0 1 1 1 0 0
1
1
0
0
1
0
1 垂直校验位 0 1 0 1 0 1 0 1 1

3.水平垂直奇偶检验
  它是水平奇偶校验和垂直奇偶校验的综合,即对每个字节进行校验,又 在垂直方向对所有字节的某一位进行校验,因此又称为矩阵码。表 2—2 是水 平垂直奇偶检验(奇校验)的示意。矩阵码既可以检测出奇数个错,也能检 测出偶数个错。
<二>循环冗余码 CRC
  奇偶校验虽然实现简单,但检错能力差,一般只用于低速传送环境。在 通信系统中广泛采用的是另一种校验码。——CRC 循环冗余码。
CRC 码是把待发送的二进制数据序列当作一个多项式 f(x)的系数,发
送之前用收发双方预定的一个生成多项式 G(x)去除,求得一个余数,将余 数加到待发送的数据序列之后就得到 CRC 检验码。发送方将校验码发往接收 方,接收方用同样的生成多项式 G(x)去除收到的二进制数据序列,如果余 数为 0 则说明传输正确,否则说明收到的数据有错。接收方通知发送方重发。
CRC 的生成多项式是经过长期研究和实践而确定的,因此 CRC 码的检错
能力很强,实现也不复杂,是目前应用最广的检错码。 常用的 CRC 生成多项式有以下几种:
CRC—12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1
(1100000001111) CRC—16G(x)=x16+x15+x2+1
(11000000000000101)
CRC—32 G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
(100000100110000010001110110110111) 生成多项式的位数越多,检错能力越强。 我们用下面的实例说明 CRC 校验码的生成过程: 例 假定待发送数据序列为 11011011(8 位)
生成多项式 G(x)=x4+x2+1 即为 10101(5 位,最高次数为 4)
①将待发送序列左移 4 位,得 110110110000
  ②将左移后得到的二进制序列用生成多项式比特序列(10101)按模 2 算法去除得余数 0110
  



③将余数 0110 加到移位后的比特序列 110110110000 中得
,这就是 CRC 校验码。




第六节 传输介质


  信息的传输从一个节点传到另一个节点,不论信息在传输过程中是以模 拟信号表示还是以数字信号表示,以单工方式传输还是以双工方式传输,采 用线路交换方式还是存储转发方式,首先要求收发双方之间存在实际的传输 介质,否则一切都是空谈。因此,我们说传输介质是通信中实际传送信息的 载体。
网络中常用的传输介质分为两大类:有线通信介质和无线通信介质。

一、有线传输介质

计算机网络中常用的有线传输介质有:双绞线、同轴电缆以及光导纤维。
<一>双绞线
  双绞线是由相互按一定的扭和距离绞合在一起的类似于电话线的传输介 质,一根线外面加绝缘层,如图 2—15 所示。这种按一定距离绞合一次的双 绞线可以使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。双绞线既可用于传输模拟信 号又可传输数字信号,国际标准化组织将双绞线按照它的电气特性分为几 类。一般第 1 类用于传输模拟语音信号,即平时我们所看到的电话线。第 2 类常用于传输数字化的语音信号。第 3、4、5 类普遍用于局域网,用于传输 高速率的(目前可达 100Mbps)数字信号。
双绞线技术成熟、性能稳定、成本低,因此在通信领域中得到广泛应用。
<二>同轴电缆
同轴电缆是网络中常用的另一种低价位的传输介质,其结构如图 2—16 所示。它由内导体、外导体、绝缘层和保护层组成。












图 2-16 同轴电缆结构示意图


  同轴电缆既可用于传输数字信号,也可用于传输模拟信号。基带同轴电 缆一般用于传输数字数据信号,常用于局域网中。宽带同轴电缆可采用多路 复用的方法,同时传输多路模拟信号(或数字信号)。大家最熟悉的同轴电 缆莫过于公用天线——电视 CATV 电缆。
同轴电缆的抗干扰性比双绞线更胜一筹,但造价也稍高一些。
<三>光导纤维
  光导纤维电缆(俗称光缆)是网络传输介质中性能最好,应用前途最为 广泛的一种。
  
光缆由纤芯、紧靠纤芯的包层以及塑料保护层组成,其结构如图 2—17 所示。为了使用光纤传输电信号(不论是计算机发出的数字信号还是诸如声 音、图象这些模拟信号),传输过程中均转换成以电平表示的电信号。双绞 线、同轴电缆只能传输电信号。光纤两端必须配有光发射机和接收机。光发 射机完成从电信号到光信号的转换;光接收机完成从光信号到电信号的转 换。








  光信号在光纤中通过内部的全反射进行传输。由于可见光的频率非常 高,约为 10 的 8 次方兆 Hz 的量级,因此光纤通信系统的传输带宽远远大于 其它各种传输介质的带宽。光纤由于传输的不是电气信号,不受外界电磁干 扰的影响,所以光纤的抗干扰能力极强。另外光纤还具有传输距离长,保密 性好(因为不易被窃听或截取)等一系列优点。因此,随着光纤技术的进一 步成熟和价格的逐年下降,光纤在通信系统中将会起到越来越重要的作用。 光纤分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤内传输的光信号是与光纤 轴成单个可辨角度的一条光线。多模光纤传输的光信号是与光纤轴成多个可 分辨角度的多条光线。单模光纤的性能优于多模光纤。单模光纤的发光源需 要使用激光源,多模光纤的发光源使用发光二极管就可以了。因此单模光纤
比多模光纤的管理更复杂,造价也比较高。
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