03_数据通信基础(二)

第三章 数据通信基础(二)

作者：张子默

一、数据通信方式

1、通信方向

按数据传输的方向数据通信方式可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。

单工通信

在单工信道上，信息只能在一个方向上传送，发送方不能接收，接收方也不能发送。信道的全部带宽都用于发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工通信的例子。

半双工通信

在半双工信道上，通信的双方可交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于在一个方向上传送信息，航空和航海无线电台以及无线对讲机都是以这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工设备便宜。在要求不是很高的场合，多采用这种通信方式，虽然转换传送方向会带来额外的花销。

全双工通信

这是一种可同时进行双向信息传送的通信方式，例如现代的电话通信就是这样的。全双工通信不仅要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能够提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备最昂贵。

2、同步方式

在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持同步才能准确地传送信息。前面曾提到过信号编码的同步作用，这叫码元同步。另外，在传送由多个码元组成的字符以及由许多字符组成的数据块时，通信双方也要就信息的起止时间取得一致。这种同步作用有两种不同的方式，因而对应了两种不同的传输方式。

异步传输

异步传输即把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。这种方式也叫起止式，即在字符的前后分别插入起始位(“0”)和停止位(“1”)，如下图所示，起始位对接收方的时钟起置位作用。接收方时钟置位后只要在8~11位的传送时间内准确，就能正确接收一个字符。最后的停止位告诉接收方该字符传送结束，然后接收方就可以检测后续字符的起始位了。当没有字符传送时，连续传送停止位。

加入校验位的目的是检查传输中的错误,一般使用奇偶校验。异步传输的优点是简单，但是由于起止位和校验位的加入会引入20%~30%的开销，传输的速率也不会很高。

同步传输

异步传输不适合于传送大的数据块(例如磁盘文件)，同步传输在传送连续的数据块时比异步传输更有效。按照这种方式，发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYNC，接收方只要检测到连续两个以上SYNC字符就确认已进入同步状态，准备接收信息。随后的传送过程中双方以同一频率工作(信号编码的定时作用也表现在这里)，直到传送完指示数据结束的控制字符。这种同步方式仅在数据块的前后加入控制字符SYNC，所以效率更高。在短距离高速数据传输中，多采用同步传输方式。

二、交换方式

一个通信网络由许多交换节点互连而成。信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样，经过一系列交换节点(车站)，从一条线路交换到另一条线路，最后才能到达目的地。交换节点转发信息的方式可分为电路交换、报文交换和分组交换。

1、电路交换

电路交换方式把发送方和接收方用一系列链路直接连通(如下图所示)。电话交换系统就是采用这样的交换方式。当交换机收到一个呼叫后就在网络中寻找一条临时通路供两端的用户通话，这条临时通路可能要经过若干个交换局的转接，并且一旦建立连接就成为这一对用户之间的临时专用通路，其他用户不能打断，直到通话结束才能拆除连接。

空分交换技术

早期的电路交换机采用空分交换技术。如下图所表示的是由n条全双工输入输出线路组成的纵横交换技术，在输入线路和输出线路的交叉点处有接触开关。每个站点分别与一条输入线路和一条输出线路相连，只要适当控制这些交叉触点的通断，就可以控制任意两个站点之间的数据交换。这种交换机的开关数量与站点数的平方成正比，成本高，可靠性差，已经被更先进的时分交换技术取代了。

时分交换技术

时分交换是时分多路复用技术在交换机中的应用。下图为常见的TDM总线交换，每个站点都通过全双工线路与交换机相连，当交换机中的某个控制开关接通时该线路获得一个时槽，线路上的数据被输出到总线上。在数字总线的另一端按照同样的方法接收各个时槽上的数据。

电路交换的特点

电路交换的特点是建立连接需要等待较长的时间。由于连接建立后通路是专用的，因而不会有其他用户的干扰，不再有等待延迟。这种交换方式适合于传输大量的数据，传输少量信息时效率不高。

2、报文交换

报文交换方式不要求在两个通信节点之间建立专用通路。节点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标节点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个节点接收整个报文，检查目标节点地址，然后根据网络中的“交通情况”在适当的时候转发到下一个节点。经过多次的存储——转发，最后到达目标节点(如下图所示)，因而这样的网络叫做存储——转发网络。其中的交换节点要有足够大的存储空间(一般是磁盘)，用于缓冲接收到的长报文。交换节点对各个方向上收到的报文排队，寻找下一个转发节点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。

报文交换的特点

报文交换的优点是不建立专用链路，线路是共享的，因而利用率较高，这是由通信线路中的等待时延换来的。

3、分组交换

在分组交换方式中数据包有固定的长度，因而交换节点只要在内存中开辟一个小的缓冲区就可以了。在进行分组交换时发送节点先要对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源地址和目标地址以及约定的分组头信息，这个过程叫做信息的打包。一次通信中的所有分组在网络中传播又有两种方式：数据报(Datagram)和虚电路(Virtual Circuit)。

数据报

数据报类似于报文交换，每个分组在网络中的传播路径完全是由网络当时的状况随即决定的。因为每个分组都有完整的地址信息，如果不出意外都可以到达目的地。但是到达目的地的顺序和发送的顺序可能不一致。有些早发的分组可能在中间某段交通拥挤的链路上耽搁了，比后发的分组到的迟，目标主机必须对收到的分组重新排序才能恢复原来的信息。一般来说，在发送端要有一个设备对信息进行分组和编号，在接收端也要有一个设备对收到的分组拆去头、尾并重新排序，具有这些功能的设备叫分组拆装设备(Packet Assembly and Disassembly device，PAD)，通信双方各有一个。

虚电路

虚电路类似于电路交换，这种方式要求在发送端和接收端之间建立一条逻辑连接。在会话开始时，发送端先发送建立连接的请求消息，这个请求消息在网络中传播，途中的各个交换节点根据当时的交通情况决定取哪条线路来响应这一请求，最后到达目的端。如果目的端给予肯定的回答，则逻辑连接就建立了。以后发送端发出的一系列分组都走这一条通路，直到会话结束拆除连接。与电路交换不同的是，逻辑连接的建立并不意味着其他通信不能使用这条线路，它仍然具有链路共享的优点。

按虚电路方式通信，接收方需要对正确收到的分组给予回答确认，通信双方要进行流量控制和差错控制，以保证顺序正确接收，所以虚电路意味着可靠的通信。当然它涉及更多的技术，需要更大的开销。也就是说它没有数据报方式灵活，效率不如数据报方式高。

虚电路分类

虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除，这叫做虚呼叫；也可以是永久的，即通信双方一开机就自动建立连接，直到一方请求释放才断开连接，这叫做永久虚电路。

分组交换的特点

虚电路适合于交互式通信，这是它从电路交换那里继承的优点。数据报方式更适合于单向地传送短消息，采用固定的、短的分组相对于报文交换是一个重要的优点。除了交换节点的存储缓冲区可以小一些外，也带来了传播时延的减小。分组交换网络也意味着按分组纠错，发现错误只需重发出错的分组，使通信效率提高。广域网络一般都采用分组交换方式，按交换的分组数收费，而不是想电话网那样按通话时间收费，这当然更适合计算机通信的突发式特点。有些网络同时提供数据报和虚电路两种服务，用户可根据需要选用。

三、多路复用技术

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。这种技术要用到两个设备，其中，多路复用器(Multiplexer)在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号；多路分配器(Demultiplexer)在接收端根据同一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。多路复用器和多路分配器统称为多路器，简写为MUX，如下图所示。

只要带宽允许，在已有的高速线路上采用多路复用技术可以直接省去安装新线路的大笔费用，因而现今的公共交换电话网络(PSTN)都使用这种技术，有效地利用了高速干线的通信能力。

相应地，也可以相反地使用多路复用技术，即把一个高带宽的信号分解到几个低速线路上同时传输，然后在接收端合成为原来的高带宽信号。例如，两个主机可以通过若干条低速线路连接，以满足主机间高速通信的要求。

1、频分多路复用

频分多路复用是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输，这些载波可以进行任何方式的调制，如ASK、FSK、PSK以及它们的组合。每一个载波信号形成了一个子信道，各个子信道的中心频率不相重合，子信道之间留有一定宽度的隔离频带，如下图所示。

频分多路技术的应用

频分多路技术早已用在无线电广播系统中，在有线电视系统(CATV)中也使用频分多路技术。一根CATV电缆的带宽大约是1000MHz，可传送多个频道的电视节目，每个频道6.5MHz的带宽中又划分为声音子通道、视频子通道以及色彩子通道。每个频带两边都留有一定的警戒频带，防止相互串扰。

小贴士：
FDM也用在宽带局域网中。电缆带宽至少要划分为不同方向上的两个子频带，甚至还可以分出一定带宽用于某些工作站之间的专用连接。

2、时分多路复用

时分多路复用(Time Division Multiplexing，TDM)要求各个子通道按时间片轮流地占用整个带宽(如下图所示)。时间片的大小可以按一次传送一位、一个字节或一个固定大小的数据块所需要的时间来确定。

时分多路技术的用途

时分多路技术可以用在宽带系统中，也可以用在频分制下的某个子通道上。

时分多路技术分类

时分制按照子通道的动态利用情况又可分为两种：同步时分和统计时分。

同步时分

在同步时分制下，整个传输时间被划分为固定大小的周期。每个周期内各子通道都在固定位置占有一个时槽。这样在接收端可以按约定的时间关系恢复各子通道的信息流。当某个子通道的时槽来到时，如果没有信息要传送，这一部分带宽就浪费了。

统计时分

统计时分制是对同步时分制的改进，特别把统计时分制下的多路复用器称为集中器，以强调它的工作特点。在发送端，集中器依次循环扫描各个子通道。若某个子通道有信息要发送则为它分配一个时槽，若没有就跳过，这样就没有空槽在线路上传播了。然而需要在每个时槽加入一个控制字段，以便接收端可以确定该时槽是属于哪个子通道的。

3、波分多路复用

波分多路复用(Wave Division Multiplexing，WDM)使用在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所有子信道的波长。这种技术在网络中要使用能够对光波进行分解和合成的多路器，如下图所示。

四、数字传输标准

1、贝尔系统的T₁载波

贝尔系统的T₁载波是在美国和日本使用很广的一种通信标准，如下图所示。

贝尔系统的T₁载波的原理

T₁载波也叫一次群，它把24路话音信道按时分多路的原理复合在一条1.544Mbps的高速信道上。该系统的工作是这样的，用一个编码解码器轮流对24路话音信道取样、量化和编码，将一个取样周期中(125us)得到的7位一组的数字合成一串，共7x24位长。这样的数字串在送入高速信道前要在每一个7位的后面插入一个信令位，于是变成了8x24=192位长的数字串。这192位数字组成一帧，最后再加入一个帧同步位，故帧长为193位。每125us传送一帧，其中包含了各路话音信道的一组数字，还包含了总共24位的控制信息以及1位帧同步信息。这样，不难算出T₁载波的各项比特率。对每一路话音信道来说，传输数据的比特率为7b/125us=56Kbps，传输控制信息的比特率为1b/125us=8Kbps，总的比特率为193b/125us=1.544Mbps。

T₁载波的多路复用

T₁载波可以多路复用到更高级的载波上，如下图所示。4个1.544Mbps的T₁信道结合成1个6.312Mbps的T₂信道，多增加的位(6.312-4x1.544=0.136)是为了组帧和差错恢复。与此类似，7个T₂信道组合成1个T₃信道，6个T₃信道组合成1个T₄信道。

2、ITU-T的E1载波

E1载波在除了北美和亚洲的日本外其他地区得到了广泛的使用。

E1载波的工作原理

ITU-T的E1信道的数据速率是2.048Mbps(如下图所示)。这种载波把32个8位一组的数据样本组合成125us的基本帧，其中30个子信道用于话音传送数据，两个子信道(CH0和CH16)用于传送控制信令，每4帧能够提供64个控制位。

E1载波的多路复用

按照ITU-T的多路复用标准，E2载波由4个E1载波组成，数据速率位8.448Mbps。E3载波由4个E2载波组成，数据速率为34.368Mbps。E4载波由4个E3载波组成，数据速率为139.264Mbps。E5载波由4个E4载波组成，数据速率为565.148Mbps。

五、同步数字系列

光纤线路的多路复用标准有两个，美国标准叫做同步光纤网络(Synchronous Optical Network，SONET)；ITU-T以SONET为基础制定出的国际标准叫做同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)。SHD的基本速率是155.52Mbps，称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率，如下表所示。

络(Synchronous Optical Network，SONET)；ITU-T以SONET为基础制定出的国际标准叫做同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)。SHD的基本速率是155.52Mbps，称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率，如下表所示。

六、差错控制

无论通信系统如何可靠都做不到完美无缺，所以必须考虑怎样发现和纠正信号传输中的差错。

1、差错分类

通信过程中出现的差错大致分为两类：由热噪声引起的随机错误和由冲击噪声引起的突发错误。

随机错误

通信线路中的热噪声是由电子的热运动产生的，香农关于噪声信道传输速率的结论就是针对这种噪声的。热噪声时刻存在，具有很宽的频谱，且幅度较小。通信线路的信噪比越高，热噪声引起的差错越少。这种差错具有随机性，影响个别位。

冲击噪声

冲击噪声源是外界的电磁干扰，例如打雷闪电时产生的电磁干扰，电焊机引起的电压波动等。冲击噪声持续的时间短而幅度大，往往引起一个位串出错。根据它的特点称其为突发性差错。

其他具有突发性特点的差错

此外，由于信号幅度和传播速率与相位、频率有关而引起的信号失真，以及相邻线路之间发生串音等都会产生差错，这些差错也具有突发性的特点。

2、差错的影响及控制

突发性差错影响局部，而随机性差错总是断续的存在，影响全局。所以要尽量提高通信设备的信噪比，以满足要求的差错率。此外，要进一步提高传输质量，就需要采用有效的差错控制办法。

3、检错码

奇偶校验是最常用的检错方法。使用校验和的方法可以检测突发性位串出错。

奇偶校验的原理

在7位的ASCII代码后增加一位，使码字中的1的个数成奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。经过传输后，如果其中一位(甚至奇数个位)出错，则接收端按同样的规则就能发现错误。这种方法简单实用，但只能对付少量的随机性错误。

校验和的原理

校验和的方法把数据块中的每个字节当做一个二进制整数，在发送过程中按模256相加。数据块发送完后，把得到的和作为校验字节发送出去。接收端在接收过程中进行同样的加法，数据块加完后用自己得到的校验和与接收到的校验和比较，从而发现是否出错。在实现的时候可以使用更简单的办法，例如在校验字节发送前，对累加器中的数取2的补码。这样，如果不出错，接收端在加完整个数据块以及校验和后累加器中是0。这种方法的好处是由于进位的关系，一个错误可以影响到更高的位，从而使出错位对校验字节的影响扩大。可以粗略地认为，随机的突发性错误对校验和的影响也是随机的。出现突发错误而得到正确的校验字节的概率是1/256，于是就有255:1的机会能检查出任何错误。

2、海明码

海明码是用冗余数据位来检测和纠正代码差错的理论和方法。按海明的理论，可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字。

海明距离

码字之间的海明距离是一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数。

海明码差错控制公式：m+k+1<2^k

上述公式中，m代表给定的数据位的位数，k为冗余位的位数。

3、循环冗余校验码

循环码其中任一有效码经过循环移位后得到的码字仍然是有效码字，不论是左移还是右移，也不论移多少位。例如(a_n-1a_n-2···a₁a₀)是有效码字，则(a_n-2a_n-3···a₀a_n-1)，(a_n3a_n-4···a_n-1a_n-2)等都是有效码字。冗余循环码(Cyclic Redundancy Check，CRC)是一种循环码，它有很强的检错能力，而且容易用硬件实现，在局域网中有广泛应用。

CRC校验码计算

• **计算CRC校验码：**多项式除法，不进位加法。

• 除数即多项式G(X)中X各次幂的系数

  • G(X)=X⁴+X+1= 1X⁴ + 0X³ + 0X² + 1X¹ + 1X⁰

  • 由上式可得除数为10011

• 被除数即信息码字并在后面填补G(X)中X最高幂次个0

  • 信息码字为10111，G(X)最高幂次为4，所以被除数为101110000