網絡技術基礎(二)數據通訊技術

零.簡介

1.數據通訊是以信息處理技術和計算機技術爲基礎等通訊方式，爲計算機網絡的應用和發展提供了技術支持和可靠的通訊環境。

 

一.數據通訊的基本概念

1.信息、數據與信號：

(1).信息：通訊的目的是交換信息。通常認爲信息是人們對現實世界事物存在方式或運動狀態的某種認識。信息的載體能夠是數值、文字、圖形、聲音、圖像以及動畫等。任何事物的存在都伴隨着相應信息的存在，信息不只可以反映事物的特徵、運動和行爲，還可以藉助媒體傳播和擴散。這裏把「事物發出的消息、情報、數據、指令、信號等當中包含的意義」定義爲信息。

(2).數據：數據是指把事件的某些屬性規範化後的表現形式，能夠被識別，也能夠被描述。數據可分爲模擬數據和數字數據兩種。模擬數據：在時間和幅度上都是連續的，其取值隨時間連續變化。數字數據：在時間上是離散的，在幅值上是通過量化的。通常是由「0」、「1」二進制代碼組成的數字序列。

(3).信號：信號是數據的具體物理表現，是信息(數據)的一種電磁編碼，具備肯定的物理描述。信號中包含了所要傳遞的信息。信號通常爲自變量，以表示信息(數據)的某個參量爲因變量。信息通常是用數據來表示的，而表示信息的數據一般要轉變爲信號進行傳遞。

2.模擬信號和數字信號

(1).模擬信號是指波高和頻率是連續變化的信號。在模擬線路上，模擬信號是經過電流和電壓的變化進行傳輸的。

(2).數字信號是指離散的信號，如計算機所使用的由「0」和「1」組成的信號。數字信號在通訊線路上傳輸時要藉助電信號的狀態來表示二進制代碼的值。

3.基帶信號和寬帶信號：(1).基帶信號是指將計算機發送的數字信號「0」或「1」用兩種不一樣的電壓表示後直接送到通訊線路上傳輸的信號。(2).寬帶信號是指基帶信號通過解調後造成的頻分複用模擬信號。

4. 信道及其分類：傳輸信息的必經之路稱爲信道，包括傳輸介質和通訊設備。信道能夠按不一樣的方法進行分類，常見的分類有：(1).有線信道和無線信道；(2).物理信道和邏輯信道；(3).數字信道和模擬信道。

5.數據通訊的技術指標：理論分析證實，信道容量和信道帶寬成正比，因此，有時用「帶寬」來表示信道容量。

(1).傳輸速率：指信道上信息傳送的速度，是描述數據傳輸的重要技術指標。通常有兩種表示方式：信號速率(比特/秒)和調製速率(波特/秒)。

(2).信道帶寬：信道中傳輸的信號在不失真的狀況喜好所佔用的頻率範圍(赫茲)。

(3).信道容量：單位時間內信道上所能傳輸的最大比特數。

6.通訊方式：是指通訊雙方的信息交互的方式。在設計一個通訊系統時，須要考慮如下三個問題：

(1).單工、半雙工仍是全雙工？

(2).串行仍是並行？

(3).同步仍是異步？

 

二.傳輸介質的主要特性和應用

1.傳輸介質：網絡上數據的傳輸須要有「傳輸媒體」，就像車輛必須在公路上行駛同樣。道路質量的好壞會影響到行車的安全溫馨。一樣，網絡傳輸介質的質量好壞也會影響數據傳輸的質量。

2.傳輸介質的主要類型：經常使用的網絡傳輸介質可分爲兩類：一類是有線的，一類是無線的。有線傳輸介質主要有雙絞線(Twisted Pair，包括屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線)、同軸電纜(Coaxial Cable)及光纖(Optical Fiber)，無線傳輸介質有無線電和微波等。

 

3.雙絞線：雙絞線是由相互絕緣的兩根銅線按必定扭距相互絞合在一塊兒的相似於電話線的傳輸媒體，每根銅線的絕緣層都有顏色標記。

4.RJ-45和集線器：使用雙絞線組網時，必需要使用RJ-45水晶頭，同時還須要使用集線器。

5.同軸電纜：同軸電纜外層是金屬絲編織的網狀屏蔽層，裏面是金屬芯線，兩者之間用絕緣體隔開。

6.光纖：纖由纖芯、包層和保護層組成。光束在玻璃纖維內傳輸，防磁防電，傳輸穩定，質量高。因爲可見光的頻率大約是10^14Hz，於是光傳輸系統可以使用的帶寬範圍極大，多適用於高速網絡和骨幹網。

7.有線介質性能比較

 

三.無線與衛星通訊技術

1.電磁波譜

2.頻率和帶寬的關係

3.無線通訊：無線通訊是指信號經過空間傳輸，不被約束在一個物理導體內。典型的無線傳輸系統包括無線電、微波和衛星通訊等。無線電波的傳輸特性與頻率有關。

4.微波通訊：微波通訊是利用無線電波在對流層的視距範圍內進行信息傳輸的一種通訊方式，使用頻率範圍通常在2～400GHz。

5.衛星通訊：衛星通訊是在地球站之間利用36,000km的同步衛星做爲中繼器的一種微波接力通訊。通訊衛星就是太空中無人值守的用於微波通訊的中繼器。

 

四.數據交換技術

1.數據交換技術：通訊子網是由若干網絡節點和鏈路，按照異地過的拓撲結構到連起來的網絡。通訊子網爲全部進入子網的數據提供一條完整的傳輸路徑的通路。實現這種數據通路的技術就稱爲數據交換技術。按照通訊子網中的網絡節點對進入子網的數據所實施的轉發方式不一樣，能夠將數據交換方式分爲電路交換和存儲轉發交換兩大類。經常使用的交換技術有：電路交換、報文交換和分組交換3種。

2.電路交換：兩臺計算機經過通訊子網交換數據以前，首先要在通訊子網中經過交換設備間的線路鏈接，創建一條實際的物理線路。電路交換方式最重要的特色是在一對主機之間創建起一條專用的數據通路。通訊過程包括線路創建、數據傳輸和線路釋放三個過程。

3.存儲轉發交換：存儲轉發交換是指網絡節點(交換設備)先將途徑的數據按傳輸單元接收並存儲下來，而後選擇一條適當的鏈路轉發出去。根據轉發的數據單元的不一樣，存儲轉發交換又分爲報文交換和分組交換。

4.報文交換：報文交換是指網絡中的每個節點(交換設備)先將整個報文完整地接收並存儲下來，而後選擇合適的鏈路轉發到下一個節點。每一個節點都對報文進行存儲轉發，最終到達目的地。

5.分組交換：分組交換又稱包交換。在分組交換網中，計算機之間要交換的數據不是做爲一個總體進行傳輸，而是劃分紅大小相同的許多數據分組來進行傳輸，這些分組稱爲「包」。在分組交換中，根據網絡中傳輸控制協議和傳輸路徑不一樣，可分爲兩種方式：數據報文分組交換和虛電路分組交換。

6.數據報文分組交換：

7.虛電路分組交換：

 

五.數據傳輸技術

1.基帶傳輸技術：基帶傳輸是指在通訊線路上原封不動地傳輸由計算機或終端產⽣的「0」或「1」數字脈衝信號。基帶傳輸是⼀種最簡單的傳輸⽅式，近距離通訊的局域⽹⼀般都採⽤這種⽅式。基帶傳輸系統的優勢是安裝簡單、成本低；缺點是傳輸距離較短(⼀般不超過2km)，傳輸介質的整個帶寬都被基帶信號佔⽤，而且任什麼時候候只能傳輸⼀路基帶信號，信道利⽤率低。

2.頻帶傳輸技術：頻帶傳輸也稱爲寬帶傳輸，是指將數字信號調製成⾳頻信號後在發送和傳輸，到達接收端時再把⾳頻信號解調成原來的數字信號。將這種利⽤模擬信道傳輸數字信號的⽅法稱爲頻帶傳輸技術。

3.多路複用技術：多路復⽤是指在傳輸系統中，容許兩個或多個數據源共享同⼀個傳輸介質，把若⼲個彼此⽆關的信號合併爲⼀個在⼀個共⽤信道上進⾏傳輸。多路復⽤⼀般可分爲如下3種基本形式：

(1).頻分多路復⽤(FDM)：

(2).時分多路復⽤(TDM)：

(3).波分多路復⽤(WDM)：

 

六.數據編碼技術

1.數據編碼的類型：根據數據通訊類型的不一樣，通訊信道可分爲兩類：模擬信道和數字信道。相應的，數據編碼的⽅法也分爲兩類：模擬數據編碼和數字數據編碼。

2.數字數據的模擬信號編碼：爲了利⽤公共電話交換⽹實現計算機之間的遠程數據傳輸，就必須把數字數據和模擬信號相互轉換。

3.數字數據的數字信號編碼：

 

七.差錯控制技術

1.差錯產生的緣由：咱們一般將發送的數據與經過通訊信道後接收到的數據不⼀致的現象稱爲傳輸差錯，簡稱爲差錯。差錯的產⽣是⽆法避免的。信號在物理信道中傳輸時，線路自己電⽓特性形成的隨機噪聲、信號幅度的衰減、頻率和相位的畸變、電⽓信號在線路上產⽣的反射形成的回⾳效應、相鄰線路間以串擾以及各類外界因素，都會形成信號的失真。

2.錯誤的類型：傳輸中的差錯一般都是由噪聲引發的。噪聲有兩⼤類，即隨機熱噪聲和衝擊噪聲。熱噪聲由傳輸介質導體的電⼦熱運動產⽣，是⼀種隨機噪聲，它引發的差錯一般是孤⽴的，與先後碼元沒有關係。衝擊噪聲是由外界電磁⼲擾引發的，是引發傳輸噪聲的主要緣由。它引發的傳輸差錯爲突發差錯，且先後碼元的差錯具備相關性。

3.誤碼率的定義：誤碼率是指⼆進制碼元在數據傳輸系統中被傳錯的機率，數值上近似爲Pe=Ne/N。誤碼率是衡量傳輸可靠性的參數。數據傳輸系統應根據實際傳輸需求提出誤碼率指標。對於實際傳輸系統，有可能須要進⾏必要的轉換。

4.差錯的控制：差錯控制的⽅法有兩種。第⼀種⽅法是，改善通訊線路的性能，使錯碼出現的機率下降到滿⾜系統要求的程度。第⼆種⽅法是採⽤抗⼲擾編碼和糾錯編碼將傳輸中出現的某些錯碼檢測出來，並糾正錯碼。第⼆種⽅法最爲常⽤，⽬前⼴泛採⽤的有奇偶校驗碼，⽅塊碼和循環冗餘碼等。

(1).差錯的控制-奇偶校驗：奇偶校驗⼜叫字符校驗，其基本原理是：在每一個字符編碼的後⾯另外增長⼀個校驗位，主要⽬的是使整個編碼中1的個數成爲奇數或偶數。在每一個字符的數據位傳輸以前，先檢測並計算奇偶校驗位，根據採⽤的奇偶校驗位是奇數仍是偶數，推出⼀個字符包含「1」的數⽬，接收端從新計算收到字符的奇偶校驗位，並肯定該字符是否出現傳輸差錯。

(2).差錯的控制-方塊校驗：⽅塊校驗⼜叫報⽂校驗，其基本原理是：在奇偶校驗⽅法的基礎上，在⼀批字符傳送以後，另外再增長⼀個檢驗字符，該檢驗字符的編碼⽅法是使每⼀位縱向代碼中1的個數也成爲奇數或偶數。採⽤這種⽅法 能夠進⼀步⼤⼤下降數據傳輸的誤碼率，效果⾮常顯著。

(3).差錯的控制-循環冗餘校驗：循環冗餘碼(Cyclic Redundancy Code，CRC)是使⽤最⼴泛而且檢錯能⼒很強的⼀種檢驗碼。 CRC的⼯做⽅法是：在發送端產⽣⼀個循環冗餘碼，附加在信息數據幀後⾯⼀起發送到接收端，接收端收到的信息按發送端造成循環冗餘碼一樣的算法進⾏除法運算，若餘數爲「0」，就表示接收的數據正確，若餘數不爲「0」，則代表數據在傳輸的過程當中出錯，發送端重傳數據。