计算机网络概述之数据通信基础

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所属分类:网管技术

1数据通信的基本概念

1.1数据信号

数据分为模拟数据与数字数据。二者可相互转化,模拟信号在时间和幅度上是连续的,例如语音、温度、压力、流量等,数据信号在时间上是离散的,在幅度上是经过量化的,一般是由二进制代码0、1组成的数字序列,计算机中传送的是典型的数字型号。
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模拟信号的数字化需要经过:
[v_notice]采样:采用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上的连续的信号,在时间上将模拟信号离散化。
量化:将信号的连续取值(或者大量可能的离散取值)近似为有限多个(或较少的)离散值。
编码:按照一定的规律,把量化后的值用二进制数字表示,然后转换成二值或多值的数字信号流。[/v_notice]

1.2信道

信号的传输媒质,分为有线信道和无线信道。
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1.3数据通信模型

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数据通信模型是指远端的数据终端设备DTE通过数据电路与计算机系统相连。数据电路由通信信道和数据DCE通讯设备组成。如果通信信道是模拟信道,DCE的就是把DTE送来的数据信号变换成模拟信号再送往信道,信号到达目的节点后,把信道送来的模拟信号变换成数据信号再送到DTE;如果通信信道是数字信道,DCE的作用就是实现信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给以及线路接续控制等等。
数据通信和传统的电话通信的重要区别之一是,电话通信必须有人直接参加,摘机拨号,接通线路,双方都确认后才开始通话。通话过程中有听不清楚的地方还可要求对方再讲一遍等等。在数据通信中也必须解决类似的问题,才能进行有效的通信。但由于数据通信没有人直接参加,就必训对传输过程按一定的规程进行控制,以便使双方能协调可靠地工作,包括通信线路的链接、收发双方的同步、工作方式的选择、传输差错的检测与校正、数据流的控制、数据交换过程中可能出现的异常情况的检测和恢复,这些都是按双方事先约定的传输控制规程来完成的。

1.4数据通信方式

  1. 单工通信
  2. 数据只能沿一个固定方向传输,即传输是单向的。如无线电广播和电视广播都是单工通信。
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  3. 半双工通信
  4. 允许数据沿两个方向传输,但在同一时刻数据只能在一个方向传输。实际上是一种可以切换方向的单工通信。这种方式一般用于计算机网络的非主干线路中。计算机网络概述之数据通信基础

  5. 双工通信
  6. 允许数据同时在两个方向上传输,又称为双向同时通信,即通信的双方可以同时发送和接收数据。这种通信方式主要用于计算机与计算机之间的通信。
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2数据传输

2.1数据传输的方式

  • 并行传输
  • 并行传输指的是数据以成组的方式,在多条并行信道上同时进行传输。常用的就是将一个字符代码的几位二进制码,分别在几个并行行道上进行传输。例如,采用8单位代码的字符,可以用8个信道并行传输,一次传送一个字符,因此收、发双方不存在字符的同步问题,不需要加“起”、“止”信号或者其他信号来实现收、发双方的字符同步,这是并行传输的一个主要优点。但是,并行传输必须有并行信道,这带来了设备上或实施条件的限制。

  • 串行传输
  • 串行传输是构成字符的二进制代码在一条信道上以位(码元)为单位,按时间顺序逐位传输的方式。按位发送,逐位接收,同时还要确认字符,所以要采取同步措施。速度虽慢,但只需一条传输信道,投资小,易于实现,是数据传输采用的主要传输方式。也是计算机通信采取的一种主要方式。

  • 异步传输
  • 异步传输是字符同步传输的方式,又称起止式同步。当发送一个字符代码时,字符前面要加一个“起”信号,长度为1个码元宽,极性为“0”,即空号极性;而在发完一个字符后面加一个“止”信号,长度为1,1.5(国际2号代码时用)或2个码元宽,极性为“1”,即传号极性。接收端通过检测起、止信号,即可区分出所传输的字符。字符可以连续发送,也可单独发送,不发送字符时,连续发送止信号。每一个字符起始时刻可以是任意的,一个字符内码元长度是相等的,接收端通过止信号到起信号的跳变(“1” “0”) 来检测一个新字符的开始。该方式简单,收、发双方时钟信号不需要精确同步。缺点是增加起、止信号,效率低,使用于低速数据传输中。

  • 同步传输
  • 同步传输是位(码元)同步传输方式。该方式必须在收、发双方建立精确的位定时信号,以便正确区分每位数据信号。在传输中,数据要分成组(或称帧),一帧含多个字符代码或多个独立码元。在发送数据前,在每帧开始必须加上规定的帧同步码元序列,接收端检测出该序列标志后,确定帧的开始,建立双方同步。接收端DCE从接收序列中提取位定时信号,从而达到位(码元)同步。同步传输不加起、止信号,传输效率高,使用于2 400 bit/s以上数据传输,但技术比较复杂。

2.2数据传输的形式

  1. 基带传输
  2. 在信道上直接传输基带信号,指在通信电缆上原封不动的传输由计算机或终端产生的数字脉冲信号。传输距离短,一般不超过2KM。

  3. 频带传输
  4. 将基带信号转换为频率表示的模拟信号来传输。传输距离远,需要在发送和接收终端安装调制解调器。

  5. 宽带传输
  6. 将信道分成多个子信道,分别传输音频、视频和数字信号。传输距离远。

2.3数据传输速率

数据传输速率是通过信道每秒可传输的数字信息量的量度.数据传输速率也称为吞吐率.数据传输速率由很多因素,包括线路带宽、传输减损、距离、媒体类型等决定.
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一.数据传输速率在数值上等于每秒种传输构成数据代码的二进制比特数,单位为比特/秒,记作bps.对于二进制数据,数据传输速率为:S=1/T(bps)其中,T为发送每一比特所需要的时间.例如,如果在通信信道上发送一比特0、1信号所需要的时间是0.001ms,那么信道的数据传输速率为1 000 000bps.
在实际应用中,常用的数据传输速率单位有:kbps、Mbps和Gbps.其中:
1kbps=103bps 1Mbps=106kbps 1Gbps=109bps 在现代网络技术中,人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率,“带宽”与“速率”几乎成了同义词.信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定律描述.
载波频率和频带宽度与数据传输速率也密切相关.一般讲,载波频率越高,可实现的数据传输率越高.通信过程所占用的频带越宽,数据传输率也越高.

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3数据编码

二进制数据采用基带传输时可以采用不同的编码方案,各种编码的抗噪声特性和定时能力各不相同,实现费用也不一样。数字基带信号的码型设计应遵循以下原则:

(1)对于传输频率很低的信道,传输的码型频谱中应不包含直流分量。

(2)可以从基带信号中提取比特定时信号,使得代码具有自定时能力。

(3)基带编码应具有内在检错能力,可以检测传输过程中出现的差错。

(4)码型变换过程应具有透明性,即编码与信源的统计特性无关。

(5)尽量减少基带信号频谱中的高频分量。这样可以提高信道的频谱利用率,还可以减少串扰。

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4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,它可以有效的提高数据链路的利用率,从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务,也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。多路复用技术是为了充分利用传输媒体,人们研究了在一条物理线路上建立多个通信信道的技术。多路复用技术的实质是,将一个区域的多个用户数据通过发送多路复用器进行汇集,然后将汇集后的数据通过一个物理线路进行传送,接收多路复用器再对数据进行分离,分发到多个用户。多路复用通常分为频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多址和空分多址。
[v_act]技术分类[/v_act]

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5数据交换技术

数据交换技术(data switching techniques),是在两个或多个数据终端设备(DTE)之间建立数据通信的暂时互连通路的各种技术。

电路交换

优点:
①由于通信线路为通信双方用户专用,数据直达,所以传输数据的时延非常小。
②通信双方之间的物理通路一旦建立,双方可以随时通信,实时性强。
③双方通信时按发送顺序传送数据,不存在失序问题。
④电路交换既适用于传输模拟信号,也适用于传输数字信号。
⑤电路交换的交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。
缺点:
①电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。
②电路交换连接建立后,物理通路被通信双方独占,即使通信线路空闲,也不能供其他用户使用,因而信道利用低。
③电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信,也难以在通信过程中进行差错控制。

分组交换

优点:
①加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输,可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行,这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外,传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多,这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。
②简化了存储管理。因为分组的长度固定,相应的缓冲区的大小也固定,在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理,相对比较容易。
③减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短,其出错机率必然减少,每次重发的数据量也就大大减少,这样不仅提高了可靠性,也减少了传输时延。
④由于分组短小,更适用于采用优先级策略,便于及时传送一些紧急数据,因此对于计算机之间的突发式的数据通信,分组交换显然更为合适些。
缺点:
①尽管分组交换比报文交换的传输时延少,但仍存在存储转发时延,而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
②分组交换与报文交换一样,每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息,使传送的信息量大约增大5%~10%,一定程度上降低了通信效率,增加了处理的时间,使控制复杂,时延增加。
③当分组交换采用数据报服务时,可能出现失序、丢失或重复分组,分组到达目的结点时,要对分组按编号进行排序等工作,增加了麻烦。若采用虚电路服务,虽无失序问题,但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

报文交换

优点:
①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延,用户可随时发送报文。
②由于采用存储转发的传输方式,使之具有下列优点:a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施,加之交换结点还具有路径选择,就可以做到某条传输路径发生故障时,重新选择另一条路径传输数据,提高了传输的可靠性;b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配,甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信;c.提供多目标服务,即一个报文可以同时发送到多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的;d.允许建立数据传输的优先级,使优先级高的报文优先转换。
③通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路,因而大大提高了通信线路的利用率。
缺点:
①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程,从而引起转发时延(包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等),而且网络的通信量愈大,造成的时延就愈大,因此报文交换的实时性差,不适合传送实时或交互式业务的数据。
②报文交换只适用于数字信号。
③由于报文长度没有限制,而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文,当输出线路不空闲时,还可能要存储几个完整报文等待转发,要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本,减少结点的缓冲存储器的容量,有时要把等待转发的报文存在磁盘上,进一步增加了传送时延。

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迷惘

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