计算机网络技术(二)——数据通信

2020-04-27 本文已影响0人 badlogic

摘要

数据通信的概念
数据传输方式
数据通信系统的性能
传输信道
数据通信中的编码
复用技术
差错控制技术
交换技术

一、数据通信的概念

数据通信是什么？
数据通信是相对于电话通信、广播电视通信等传统通信业务而言的，是在计算机出现后，通信与计算机相结合而产生的一种通信业务。
通信系统是什么？
把能实现信息传输的一切技术设备和传输媒质的集合称为通信系统。
通信系统模型
通信系统的核心包括信源、发送设备、信道、接收设备和信宿5个部分，另外，通信过程中还有各种噪声的干扰。

通信系统模型

通信系统分类
通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两大类，其区别在于信道中传输的是模拟信号还是数字信号。

模拟信号——信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号，自变量可以连续，也可以离散。
数字信号——因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号。

模拟信号和数字信号

二、数据传输方式

2.1 按数据传输方向

单向通信（又称单工通信）
即任何时间都只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。
双向交替通信（又称半双工通信）
即通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（或同时接收）。
双向同时通信（又称全双工通信）
即通信双方可以同时发送和接收信息。

2.2 按二进制数据传输的时空顺序

并行通信
为一个字节的每一个bit（位）都设置一个传输通道，全部bit（位）同时进行传送。
串行通信
为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中每一个bit（位）依次在这条通道上传输。

2.3 按发送方和接收方对数据保持步调一致的措施

同步技术——指通信系统中实现收发两端动作统一、保持收发步调一致的过程。常用数据传输的同步方式有异步式同步（简称异步）和同步式同步（简称同步）。通常所说的异步和同步本质上都属于同步技术。两者的区别在于发送端和接收端的时钟是独立的还是同步的。

异步通信
数据传输以字符为单位发送，在字符的开始与结束位置分布加了起始位与停止位，异步传输不需要在收发两端传输时钟信号。
同步通信
数据传输以数据块为单位发送，块前与块后分别有起始与结束标志，且收发双方有同步时钟。

2.4 按传输的信号是否要经过调制

基带信号——计算机作为信源所发出的原始数据信号，即用固定的高低电平来表示二进制数字1或0

基带传输
直接在信道中传送基带信号。
频带传输
利用基带信号调制对应信道匹配的载波信号，然后把载波信号通过信道传送出去。
对于数字基带信号，主要有三种调制方法：
调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。

三、数据通信系统的性能

衡量数据通信系统的性能主要体现在系统的有效性和可靠性上。
有效性指标主要有带宽、码元速率、信息速率和频带利用率；
可靠性指标主要有信噪比和误码率。

对于模拟通信系统，其有效性用带宽（包括信道带宽和信号传输带宽）评估；可靠性用接收端最终输出有用信号的功率与噪声功率的比值（简称噪声比）来度量。

对于数字通信系统，有效性用传输速率和频带利用率来衡量，传输速率又包括码元速率和信息速率。

码元速率（又称波特率）
表示每秒传送的码元数目（码元——在数字系统中，通常用时间间隔相同的符合来表示一个离散值，这样的时间间隔内的信号称为码元）
信息速率（又称比特率）
表示每秒传送的二进制比特数
频带利用率
信道带宽的占用情况。

数字通信系统的可靠性：

误码率
指接收到的错误码元数在所传输的总码元数中所占的比例
误比特率
指接收到的错误比特数在所传输的总比特数中所占的比例

四、传输信道

信道——
信道是通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送。信道分为广义信道与狭义信道，狭义信道仅指传输介质；广义信道包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。研究通信的一般原理时采用广义信道，研究信道的一般特性时，采用侠义信道，狭义信道又分为有线信道和无线信道。

有线信道
以导线为传输介质，信号沿导线进行传输。包括架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤等。
无线信道
利用电磁波在空间的传播来传输信号。

五、数据通信中的编码

数据编码——计算机中存储、处理和输入/输出的是用0和1表示的二进制数据。要把这些二进制数据序列转成合适的电磁波信号才能在信道中进行传输，这种转变过程称为数据编码。

不同的信道有不同传输特性，因此数据编码有多种，根据将数据转换为模拟信号还是数字信号，数据编码方法可分为模拟数据编码和数字数据编码。

5.1 模拟数据编码

在计算机出现前，有线电话网就已经存在了，电话网是为了传输语音信号设计的，只能传输音频模拟信号，计算机网络出现后，为了充分利用电话网信道，就需要将计算机发出的二进制数字信号转换成能在电话网信道中传输的模拟信号。

调制（Modulation）—— 在发送端将数字信号变换成模拟信号的过程。
解调（Demodulation）—— 在接收端将模拟信号还原成数字信号的过程。
调制解调器（Modem）—— 能实现调制和解调功能的设备。

通常把能在模拟信道中传输的模拟信号称为载波，其一般表达式为：

$y(t) = A\sin(\omega t + \phi)$

其中，A是模拟信号的振幅， $\omega$ 是模拟信号的频率， $\phi$ 是模拟信号的初始相位。调制的基本思想是通过载波信号的振幅、频率和初始相位的变化来表示0和1，从而实现将数字信号变化为模拟信号。对应的调制方法分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

振幅键控（ASK）
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0。例如，用振幅为A表示数字1，振幅为0表示数字0，其数学表达式为：

$y(t)=\left\{ \begin{aligned} A\sin(\omega t + \phi) && 数字 1 \\ 0 && 数字 0 \end{aligned} \right.$

频移键控（FSK）
通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0。例如，用户频率 $\omega_1$ 表示数字1，用频率 $\omega_2$ 表示数字0，其数学表达式为：

$y(t)=\left\{ \begin{aligned} A\sin(\omega_1 t + \phi) && 数字 1 \\ A\sin(\omega_2 t + \phi) && 数字 0 \end{aligned} \right.$

相移键控（PSK）
通过改变载波信号的初始相位来表示数字信号1和0。例如，用初始相位 $\phi=0$ 表示数字1，用初始相位 $\phi = \pi$ 表示数字0，其数学表达式为：

$y(t)=\left\{ \begin{aligned} A\sin(\omega + 0) && 数字 1 \\ A\sin(\omega_t + \pi) && 数字 0 \end{aligned} \right.$

ASK、FSK、PSK示意图

5.2 数字数据编码

数字数据编码是将原始的二进制数据变换成数字脉冲序列从而实现基带传输的方法。常见的是利用矩形脉冲信号的幅值编码二进制数字数据，包括单极不归零码（NRZ）、双极不归零码、单极归零码（RZ）、双极归零码、差分码、双相码和多元码等。

单极不归零码（Not Return to Zero，NRZ）
二进制数字0和1分别用零电平和正电平（或负电平）表示。脉冲幅值要么是正电平，要么是零电平，只有一个极性，故称为 ”单极“；”不归零“，是指整个脉冲持续时间内，电平保持不变，且脉冲持续期结束也不回归0电平。不适合长距离传输，只用于计算机内部或计算机与外设之间短距离通信。

单极不归零信号波形

双极不归零码
二进制数字0和1分别用负电平和正电平（或反过来）表示。在0和1等概率出现的情况下，不会产生直流分量，有利于在信道中传输，抗干扰能力强。

双极不归零码信号波形

单极归零码（Return of Zero，RZ）
二进制数字0和1分别用零电平和正电平表示。与单极不归零码不同的是，在每个正脉冲持续期的中间时刻，电平要由正电平回到零电平。

单极归零码信号波形

双极归零码
二进制数字0和1分别用负电平和正电平表示。与电极归零码相同，每个正、负脉冲周期的中间时刻，电平都要回到零电平。归零码（包括单极归零码和双极归零码）均有利于时钟信号的提取，便于同步。

双极归零码信号波形

差分码
差分码又称为相对码（与之对应的NRZ、RZ等称为绝对码），差分码不是利用脉冲幅值的绝对电平来表示二进制数字0和1，而是利用电平的变化与否来表示信息。相邻脉冲有电平跳变表示1，无跳变表示0。

差分码信号波形

双相码（Biphase Code）
又称为曼彻斯特(Manchester)码，双相码只有正、负两种电平，每个比特持续时间的中间时刻要进行电平跳变，双相码就是利用该跳变编码信息，正（高）电平跳到负（低）电平表示1，负电平跳到正电平表示0。

双相码（曼彻斯特码）信号波形

差分双相码（或差分曼彻斯特码）
差分双相码的每个比特周期的中间时刻也要进行电平跳变，但该跳变仅用于同步，而利用每个比特开始处是否存在电平跳变来表示编码信息。其中，开始处有跳变表示1，无跳变表示0。

差分双相码信号波形

多元码
前几种编码都是将二进制数字符号映射为两种脉冲幅值状态，即利用两种脉冲幅值状态分别表示0和1，相当于二进制数据到二进制信号的映射。其实，也可以利用多脉冲幅值来表示二进制数据，即将二进制数据映射为多进制信号，这种编码称为多元码，也称为多电平码。通常，多元码将k个二进制数字符号（0或1）映射为 $M =2^k$ 个离散的脉冲幅值之一。下图中，用4种脉冲幅值编码二进制数据，每个脉冲幅值编码为2个比特。多元码每个脉冲传输的信息量要比前面几种编码量大，因此，易于实现高速数据传输。

多元码信号波形

5.3 模拟信号的数字编码

在数据通信中，还有一类常用的编码，其作用是将模拟信号转换为数字信号。将模拟信号转换为数字信号进行传输，需要经过3个步骤。

将模拟信号转换为数字信号（A/D转换）
将数字信号基带传输或调制传输
将数字信号还原为模拟信号（D/A转换）

其中，A/D转换在信源编码环节进行，要经过3个环节：抽样、量化和编码。

抽样——以一定时间间隔采集模拟信号的瞬间值。
量化——根据某种规则将采样得到的瞬间值用数值表示出来。
编码——将量化得到的数值变换成一组二进制码。

具体过程在此不做深入研究。

六、复用技术

在数据通信系统中，当需要在一条物理信道上进行多个信号的同时传输时，需要采用复用技术，比如电话系统的主干线中通常有成千上万对用户通话在同时进行。多路复用的目的就是充分利用信道资源，提供信道利用率，目前，数据通信系统中使用的多路复用技术主要有频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等。其概念模型如下图所示。

信道复用概念模型

频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）
在频域内将信道带宽划分为多个子信道，并利用载波调制技术，将原始信号调制到对应某个子信道的载波信号上，使得同时传输的多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内频谱不重叠，从而共用一个信道。
时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）
将通信信道的传输信号在时域内划分为多个等长的时隙，每路信号占用不同的时隙，在时域上互不重叠，使多路信号合用单一的通信信道，从而实现信道共享。
时分多路复用可以分为同步时分多路复用（STDM）和异步时分多路复用（ATDM）两种。同步时分多路复用就是按照固定的顺序把时隙分配给各路信号；为了提高设备利用率，可以为有大量数据要发送的用户分配较多的时隙，发送数量少的分配较少的时隙，没有数据的不分配，这种方法称为异步时分多路复用。
波分多路复用（Wave Division Multiplexing，WDM）
其实质是一种频分多路复用，只是由于在光纤通信中，光载波频率很高，通常用光的波长来代替频率，所以称为波分多路复用。
码分多路复用（Code Division Multiplexing，CDM）
通过利用更长的相互正交的码组分别编码各路原始信息的每个码元，使得编码后的信号在同一信道中混合传输，接收端利用码组的正交性分离各路信号，从而实现信道共享。

七、差错控制技术

差错控制——通过信道编码技术实现对信息传输差错的检测，并基于某种机制进行差错纠正或处理，提高传输的可靠性。

7.1 差错控制的基本方式

常见的差错控制方式有4种：检错重发、前向纠错、反馈校验和检错丢弃。

检错重发
在检错重发方式中，发送端对发送数据进行差错编码，编码后的数据通过信道传输，接收端利用差错编码检测数据是否出错，对于出错的数据，接收端自动请求发送端重发该数据加以纠正，直到接收端收到正确的数据为止。因此，检错重发方式也称为自动请求重传方式（ARQ）。典型的ARQ包括3种形式：停止-等待ARQ、回退N步（GBN，Go-Back-N）ARQ和选择性重传ARQ。

（1）停止等待ARQ
经过差错编码的数据包发送完成后，发送方等待接收方的接收状态反馈确认，如果接收方正确接收到数据包（即差错检测无误），则向发送方发送正确接收确认ACK，发送方继续发送后续数据包；如果接收方检测数据包有错，则丢弃该数据包，并向发送方发送差错反馈（接收失败）NAK，发送方重传刚刚发送的数据包。

停止-等待ARQ

（2）回退N步（GBN）ARQ
发送方可以连续发送多个数据包，每个数据包要确保有唯一的编号；接收方在接收到数据包后利用差错编码进行差错检测，对于五差错的数据包进行正确接收，丢弃检测出差错的数据包，并进行差错反馈，发送NAKn，其中n为发生错误数据包的编号。当发送NAKn后，接收方暂停接收后续的数据包（即丢弃所有后续到达的数据包，无论正确与否）直到收到重新发送并正确到达的NAKn为止，再继续接收数据包。发送方在收到NAKn时，要重新发送n号数据包及其后续的数据包（无论是否已经发送过）。发送方相当于要退回若干步重新发送数据包，因此得名回退N步ARQ。

回退N步ARQ

（3）选择性重传ARQ
发送方也可以连续发送多个数据包，每个数据包也要保证有唯一的编号；接收方对于按顺序正确到达（即无差错）的数据包进行正常接收，对于差错数据包进行丢弃并发送NAKn进行差错反馈，对于n号数据包之后正确到达的数据包进行缓存，直到收到重发的、正确的n号数据包，再依次顺序接收（或提交）。发送方在收到NAKn时，只需重新发送n号数据包，即选择性重传。

选择性重传ARQ

前向纠错（Forword Error Correction，FEC）
发送端首先对数据进行纠错编码，然后发送包含纠错编码信息的数据包，接收端收到数据包后利用纠错编码进行差错检测，对于发生错误的数据包直接进行纠错。
反馈校验
接收端将收到的数据原封不动地发回发送端，发送端通过对比接收端反馈的数据与发送的数据，可以确认接收端是否正确无误地接收了已发送的数据。如果发送端发现不同，则认为接收端没有正确接收到发送的数据，则立即重新发送数据，直到收到接收端反馈的数据与已发送数据一致为止。
检错丢弃
不同通信系统对可靠性的要求不同，某些通信系统（如实时多媒体播报系统）可以采用一种简单的差错控制策略，不纠正出错的数据，而是直接丢弃错误数据。

7.2 差错编码

差错编码是通过在数据信息上附加差错编码冗余信息，实现对数据传输过程中的差错检测或纠正。差错编码提高了数据传输的可靠性，但降低了有效数据传输效率。

差错编码根据编码原理、功能和实现技术可以分为不同的类型。

1）按照差错编码的检错/纠错能力划分

检错码——只能检错，不能定位错误位置
纠错码——可以检测错误，同时可以确定差错位置，并加以纠正

2）按照数据信息与差错编码冗余信息之间的构成关系

线性码——差错编码冗余信息与数据信息之间满足线性关系
非线性码——差错编码冗余信息与数据信息之间不满足线性关系

3）按照差错冗余信息与数据信息分组映射关系
可以分为分组码和卷积码

4）按照数据信息在编码后是否发生变化

系统码——编码后的数据信息保持不变
非系统码——编码后的数据信息可能发生变化

5）按照差错编码检错/纠错类型的不同
分为随机错误检测/纠正码和突发错误检测/纠正码

八、交换技术

数据交换是多结点的通信网络中实现数据传输的有效手段，常见的数据交换方式有：电路交换（Circuit Switching）方式和存储-转发（Store-Forward）方式两大类，其中存储-转发方式又可分为报文交换（Message Switching）和分组交换（Packet Switching）两种方式。

电路交换
通过中间交换结点在两个通信设备之间建立一条专用的通信线路。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。
电路交换的特点：
有连接的，在通信时需要先建立电路连接，在通信过程中独占一个信道，通信结束后拆除电路连接。
优点：
实时性高，时延和时延抖动都较小。
缺点：
信道利用率低，且传输速率单一。
报文交换
发送方把要发送的信息附加上发、收主机的地址及其他控制信息，构成一个完整的报文（Message）。然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储-转发的方式发送，直至送达目的主机。
优点：
事先不需要建立连接；只在发送时占用信道，线路利用率高。
缺点：
交换结点需要缓冲存储，报文需要排队，导致时延变长，存在被丢弃风险。
分组交换
分组交换是报文交换的一种改进，它将一个完整报文拆分成若干个分组，每个分组分别传输。
优点：
大大降低对网络结点存储容量的要求；处理速度更快，降低了传输延迟；提高了传输速率；降低了传输的出错概率。
缺点：
对报文的拆分和组装，增加了报文的处理时间

分组交换方式还可以分为两种类型：
数据报（Datagram）分组交换和虚电路（Virtual Circuit）分组交换。
它们的差别在于是按照主机目的地对分组进行路由选择还是按照虚电路号对分组进行路由选择。

总结

介绍了数据通信的5个核心要素：信源、发送设备、传输媒质、接收设备和信宿
数据通信的多种传输方式
通信系统的有效性和可靠性
有线信道和无线信道
数据编码方式：模拟数据编码和数字数据编码
信号传输复用技术：时分复用、频分复用、波分复用和码分复用
通过信道编码实现在信息层面的差错检测与纠正
数据交换的多种方式：电路交换、存储-转发、报文交换和分组交换

$luck$