5.1 数 据 通 信
加快，人们对信息的要求越来越强烈，信息的种类和数量急剧增加，促使了计算机网络的产生和发展。近十多年来，Internet的兴起和快速发展，使越来越多的人接触到计算机网络这个概念，也使越来越多的人对计算机网络产生浓厚的兴趣。本章将介绍计算机通信知识、计算机网络的有关知识、Internet的相关知识。
5.1 数 据 通 信
计算机网络是计算机技术与数据通信技术结合的产物。计算机技术的有关知识在前几章中已经作了基本介绍，而数据通信系统通常由数据传输设备、传输控制设备、传输控制规程和通信软件组成。这里先介绍一些与数据通信有关的基本知识，为学习计算机网络的相关知识做准备。
5.1.1 数据通信的概念
1．数据通信
数据通信系统是通过传输媒体将信息从一个地方传送到另一个地方的系统。目前所谓的数据通信指实现远程计算机、终端间的相互通信，以达到硬件、软件资源及数据处理、信息资源的共享。它是计算机技术与通信技术结合的产物，是各种计算机网赖以生存的基础，是一种新的通信业务。在通信过程中，信息以信号的形式出现。这些信号有电压电流随时间连续变化的模拟信号和电压电流随时间不连续变化的（离散的）数字信号两种。
数据通信系统是指通过通信线路和通信控制处理设备将分布在各处的数据终端设备连接起来，执行数据传输功能的系统。数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。我们通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信源和信宿一般是计算机或其他一些数据终端设备。为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输，必须在信源和信宿之间建立一条传送信号的物理通道，这条通道被称为物理信道，简称信道，如图5-1所示。
图5-1 数据通信系统
数据通信过程分5个阶段：（1）建立物理连接；（2）建立数据链路；（3）数据传送；（4）传送结束并拆除数据链路；（5）拆除物理连接。
2．数据编码
数据编码是数据通信的最基本工作，它是将信息用特定的信号表示的方法。按照信号的特性，数据编码可分为数字信号编码和模拟信号编码两种。
（1）数字信号编码
数字信号编码是将用二进制表示的数据信息用不同的电平值或电压极性来表示，形成脉冲信号。常用的方法如下。
· 非归零编码：用高电平（电压）代表1，用低电平（电压）代表0。
· 曼彻斯特（Manchester）编码：将每个码元（一个二进制位）分成前后两个相等的部分，用前半部高电平后半部低电平代表1，用前半部低电平后半部高电平代表0。
· 差分曼彻斯特编码：它是曼彻斯特编码的改进。其特点是在码元中间设置电平跳变作为信号传输同步的时钟信号，码元和码元之间如果无电平变化代表1，有电平变化代表0。
如图5-2所示为二进制数据10011010B的三种编码。
图5-2 三种编码的示意图
（2）模拟信号编码。
模拟信号是连续变化的，用振幅、频率和相位描述。用模拟的方式传输数字信号时，需要将数字信号转换为模拟信号，其实质是进行频谱变换。其方法是取一较高频率的正弦（余弦）模拟信号作为载波，再用需要传输的数字信号来改变载波的振幅、频率或相位，达到用模拟信号运载所需要传输的数字信号的目的。这个过程被称为调制。当信号传递到目的地信宿后，还要将加载的数字信号还原出来，这个过程称为解调。基本的调制方式如下。
· 调幅（幅移键控，ASK）：载波的幅度随数字信号变化。例如，幅度最小表示0，幅度最大表示1。
· 调频（频移键控，FSK）：载波的频率随数字信号变化。例如，低频率表示0，高频率表示1。
· 调相（相移键控，PSK）：载波的相位随数字信号变化。例如，相位角为180度表示0，相位角为0度表示1。
如图5-3所示为二进制数据10011的三种调制结果示意图。
图5-3 三种不同的调制方式示意图
3．信道和带宽
（1）信道。
信道（Information Channels）表示向某一方向传输信息的媒质或渠道，它是通信电路的一个逻辑组成部分。通常，一条通信线路中包含一个发送信道和一个接收信道。信道的作用是把携有信息的信号（电的或光的）从它的输入端传递到输出端，因此，它最重要的特征参数是信息传递能力（也叫信息通过能力）。在典型的情况（即所谓高斯信道）下，信道的信息通过能力与信道的通过频带宽度、信道的工作时间、信道的噪声功率密度（或信道中的信号功率与噪声功率之比）有关：频带越宽，工作时间越长，信号与噪声功率比越大，则信道的通过能力越强。如果把信道的范围扩大，它还可以包括有关的控制与转换装置，比如：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等，我们称这种扩大的信道为广义信道，而称前者为狭义信道。
信道按照传输介质可以分为两大类：一类是电磁波的空间传播渠道，如短波信道、超短波信道、微波信道、光波信道等；另一类是电磁波的导引传播渠道，如明线信道、电缆信道、波导信道、光纤信道等。前一类信道是具有各种传播特性的自由空间，所以习惯上称为无线信道；后一类信道是具有各种传输能力的导引体，习惯上称为有线信道。信道还可按照传输信号种类可以分为两大类：一类是传输连续变化的、具有周期性的正弦信号的模拟信道；另一类是传输不连续变化的、离散的二进制脉冲信号的数字信道。早期的通信网络大都采用模拟信道，但随着数字通信技术的不断发展，模拟信道正在逐渐被数字信道所替代，计算机通信的骨干网络目前采用都是数字信道。
（2）带宽。
带宽通常指信号所占据的频带宽度；在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。对于模拟信道而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信道带宽为3100Hz（3400Hz～300Hz），一个PAL-D电视频道的带宽为8MHz。对于数字信道而言，带宽是指单位时间内信道能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64KB/s。由于数字信号的传输通常是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。
与带宽相类似的概念还有数据传输率和信道容量。数据传输率是指信道在单位时间内可以传输的最大比特数。信道容量和信道带宽具有正比的关系：带宽越大，容量越大。信道容量是指信道在单位时间内可以传输的最大信号量，表示信道的传输能力。信道容量表示为单位时间内可传输的二进制位的位数，以每秒位（b/s）形式予以表示，简记为bps。
4．通信方式和传输方式
（1）通信方式。
在进行数据通信时双方所采用的交换信息的形式被称为通信方式。通信方式有单工通信、半双工通信和全双工通信三种。
单工通信是一种单方向的通信，通信链路中只存在一条信道，信息流是单方向的且不能改变。单工通信的信息传递只能在一个方向上进行，只使用于一些简单的场合。无线电广播就属于单工通信。
半双工通信是一种交替进行的双向通信，通信双方可以交替地发送和接收信息，但发送和接收不能同时双向进行。通信链路中可以存在发送信道和接收信道，但某一时刻只能存在一个信道。用无线电对讲机进行的通信就是典型的半双工通信。
全双工通信是目前最常用的一种通信方式。由于在通信链路中同时存在两条信道，分别用来进行发送和接收，所以通信双方可以同时发送和接收信息。电话就是采用全双工方式工作的。
（2）传输方式。
在数据通信中通过信道传输的二进制信息有两种不同的传输方式，分别称为并行传输和串行传输。
并行传输是将组成信息的“字”或“字节”的若干个位（bit）同时进行传输的一种传输方式。由于能够同时传输若干个位信息，所以传输速度较高，但需要多条传输线，设备费用也相应提高。并行传输通常用在计算机系统内部，同时传输8位或32位二进制信息。
串行传输是将组成信息的“字”或“字节”的若干个位（bit）按照顺序一个一个地进行传输的一种传输方式。由于每一时刻只能传输一位信息，所以传输速度相对较慢，但只需要一条传输线，设备费用比较低。串行传输可以进行长距离的数据传递，计算机网络中普遍采用串行传输的传输方式。
5．同步技术
在进行数据通信的过程中，发送端和接收端所采用的设备可能是不同类型的，设备电路的时钟频率常常也不相同，这样会造成通信双方的步调不一致，造成传输错误。所以，同步是数据通信过程中必须注意的重要问题。所谓同步，是指使接收端的通信步调与发送端的步调保持一致。实现同步的基本思想是：接收端根据发送端的始终频率和发送数据的起止时间来接收信息，以防止发生错误。实现同步的技术有同步传输和异步传输两种。
（1）同步传输。
同步传输是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常是含有若干个数据字符的一个数据块。它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）和结束位组成。其中，同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1～2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验；结束位表示数据块的结束。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。
（2）异步传输。
异步传输中，数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送，在字符帧的前后各有一个起始位（0）和停止位（1）。接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑0（即字符帧起始位）时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符已经发送完毕。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。
6．多路复用技术
多路复用是指两个或多个用户共享公用信道的一种机制。通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的，多路复用有频分多路复用、时分多路复用、码分多路复用等几种。
（1）频分多路复用（FDMA）。
频分制是将传输频带分成N部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样，在一对传输线路上可有N对通路信息传送，而每一对通路所占用的只是其中的一个频段。频分制通信又称载波通信，它是模拟通信的主要手段。
（2）时分多路复用（TDMA）。
时分制是把一个传输通道进行时间分割以传送若干通路的信息。把N个通路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其他设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道连接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法。
（3）码分多路复用（CDMA）。
码分多路复用技术不是一项新技术，作为一种多址方案它已经成功地应用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。但是，由于卫星通信和移动通信中带宽的限制，所以CDMA技术尚未充分发挥优点。光纤通信具有丰富的带宽，能够很好地弥补这个缺陷。近年来，CDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。CDMA通信系统给每个用户分配一个唯一的正交码码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据用该地址码进行正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行正交解码。
5.1.2 数据传输介质
传输介质就是数据通信中实际传输信息的介质，它是通信双方交换信息的物理通路。传输介质分为有线介质和无线介质，传输的信号可以是模拟信号或数字信号。
1．有线介质
有线介质是各种具有传输能力的导体。在数据通信中常用的有线介质为双绞线、同轴电缆和光缆。
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图5-4 屏蔽双绞线电缆
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双绞线由一对互相绝缘的导线按照一定的规则绞合而成，它能使外部的电磁干扰降低到最低程度，以保护传递的信息。双绞线电缆通常由4对双绞线组合而成，外面有护套保护，如图5-4所示。
双绞线电缆按照屏蔽特性可分为非屏蔽双绞线电缆（UTP）和屏蔽双绞线电缆（STP）两种。按照电气特性有分为1、2、3、4、5、6等多类，目前常用5类和超5类。双绞线的优点是组网方便、价格便宜、应用广泛，缺点是最大传输距离小于100m。
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图5-5 75W同轴电缆
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同轴电缆（如图5-5所示）属于传统的传输介质，它由中心的内导体和外边的屏蔽网组成，它传输信号时反射和损耗都较小。同轴电缆有基带和宽带之分，基带同轴电缆的特性阻抗为50W，传输速率为10Mbps，传输距离为1000m；宽带同轴电缆的特性阻抗为75W，传输速率为20Mbps，传输距离可达几十公里。
（3）光纤（Optical Fiber）。
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图5-6 各种不同的光缆 |
根据性能不同，光纤有单模光纤和多模光纤两种。在多模光纤上，用发光二极管产生用来传输的光脉冲，通过光纤内部的多次反射进行传输，即存在多条不同入射角的光线。单模光纤使用激光，光线与芯轴平行，性能高、损耗小、传输距离大，但价格较多模光纤高。
2．无线介质
无线传输是利用各种电磁波来进行的，它的传输介质是各种具有传播特性的自由空间。无线传输不受位置限制，可以实现三维立体通信和移动通信，但保密性不如有线通信。目前用于通信的电磁波有无线电波、微波、红外光和激光等。在计算机网络系统中通常采用微波和红外光。
（1）微波通信。
微波通信是利用地面微波进行的通信。由于微波在空间是沿直线传播的，因此直接通信距离一般为50公里左右，远距离通信时需要进行“中继接力”。微波通信的成本低，受环境影响较大。
（2）卫星通信。
卫星通信是利用地球同步通信卫星进行“中继接力”的微波通信。卫星通信的覆盖范围大，成本低，是目前远距离通信的主力。
（3）红外通信。
红外通信是目前无线局域网中通常采用的通信手段，它使用红外光作为传输介质。红外通信根据红外线数据联盟（IrDA）的标准和协议进行数据传递，IrDA是一种半双工、低范围的数据传输技术。许多PC机、笔记本电脑、手持数码设备均配置有红外发射器端口，可以进行异步串行红外数据传输，速率一般为115.2Kbps或4Mbps。
5.1.3 信息交换技术与差错控制
1．交换技术
在数据通信系统中，存在着大量的通信终端，在需要进行通信的两个终端之间建立通信链路，在通信完成后拆除这个链路的过程称为交换。目前，通信系统中采用的交换技术主要有电路交换和分组交换两类。
（1）电路交换。
电路交换也称为线路交换，它是一种直接交换方式。在数据通信期间，发送端与接收端之间建立实际的专用物理链路。整个通信过程分为链路建立、数据传输、链路拆除三个阶段。这种方式适合远距离传输成批数据，缺点是线路利用率低，通信成本较高。普通的电话通信就是使用电路交换技术的。
（2）分组交换。
分组交换也被称为包交换，是现代计算机网络的基础技术。分组交换将需要传递的数据分成大小固定的若干数据块，为每个数据块加上有关的地址信息、分组信息和校验信息，组成一个“数据包”（也称为“分组”，packet），分组的长度通常为几十到几百个字节。通信的数据分组以后，这些分组利用网络的多路复用功能和路由功能，各自传输到通信目的地，接收终端再根据分组信息将各个数据块组装成被传递数据的整体。
分组交换不需要建立专用的物理连接通路，每个分组的传输路径也不必相同，这样就可提高通信线路的利用效率。由于采用分组传输，网络中的传输设备在进行存储转发时就不需要很大的内存，较大地提高了传输效率。在发生不可纠正的传输错误时，只需重新发送发生错误的分组而不必重发整个数据内容。
2．通信服务的方式
计算机网络中数据交换的通信服务的方式可分为面向连接服务和无连接服务两种。
（1）面向连接服务。
面向连接通信服务的服务前提是通信双方必须建立一个通信连接，所有传输的数据在本次连接中完成交换，接收端接收的数据的顺序与发送端发送数据的顺序保持一致。面向连接的通信服务与电路交换的许多特性非常相似，所以面向连接服务在网络层中被称为“虚电路服务”。
（2）无连接服务。
无连接通信服务是指两个通信实体在进行通信时并不需要事先建立一个通信连接，发送端和接收端这两个实体并不需要同时处于活动状态。发送端发送数据时，必须进入活动状态，然后将数据送上网络，这时接收端并不一定处于活动状态，当数据到达接收端时，接收端必须处于活动状态，以接收数据，这时发送端也并不一定处于活动状态。无连接通信服务要求发送的数据中带有完整的目的地地址信息，以使数据能够完成传递。无连接通信服务灵活方便且效率高，但可能发生数据丢失和重复。
3．差错控制
在数据通信的过程中，传递的信息可能会受到信道内噪声和信道外干扰的影响，使传递的信息发生改变，产生差错。所以数据通信系统必须具有发现和纠正差错的功能，以便将差错控制在通信系统可以接受的范围内。
差错控制编码是差错控制的核心。差错控制编码的基本思想是通过对被传输的信息序列进行某种形式的变换，使原来没有相关性的一系列独立信息码元产生相关性。经过变换的信息通过网络进行传递，信息的接收端根据这些相关性对传递过来的信息进行检验，以便检测和纠正所传输信息中的差错。
差错控制编码分为检错码和纠错码两种。检错码能够发现错误，但不能纠正错误；纠错码既能发现错误，又能纠正错误。目前常用的差错控制编码有奇偶校验码、循环冗余校验码等多种。
5.1.4 数据通信系统
1．有线通信系统
有线通信系统所采用的通信传输介质是有线介质。有线介质通常为架空明线、对称电缆、同轴电缆和光缆。为了提高通信容量和抗干扰能力，通常采用多路复用技术和载波传输技术。所谓载波传输，是指将信息经过调制后再进行传输。
架空明线是最普通的2线传输，可以容纳3～12部普通语音电话；对称电缆由双绞线组合而成，可以提供上千个话路，也用来传递其他数据；同轴电缆可提供上万个话路，具有较大的通信容量和一定的抗干扰能力；光缆由于依靠光来传递信息，所以传输损耗和抗干扰性比各种电缆强得多，目前的主干通信网络基本都由光缆构成。
有线通信主要用来传输电话、电报、广播、电视、计算机网络数据等，是目前通信系统中的主力。
2．无线通信系统
无线通信系统不采用有线传输介质，所以被称为“无线”。无线通信的传输介质通常是各种频率的无线电波，由于不同频率电波的容量和传播特性不同，所以被用在不同的通信用途。
中波沿地面传播，绕射能力较强，适用于广播和海上通信；短波具有电离层和地面反射能力，常用于越洋通信和远距离广播；超短波的绕射能力差，具有一定的通信容量，常用于电视广播；微波的地面吸收较强，性质类似于光波、也不具有绕射能力，但通信容量较大，通过地面中继站或卫星接力可进行远距离传输，既可采用模拟调制技术又可采用数字传输技术，所以成为目前长距离、大容量无线通信的主要手段。
无线通信是通过无线电波在开放空间完成通信的，受大气环境、地球磁场、太阳风等环境因素影响较大，在稳定性、可靠性、安全性方面不如有线通信。但是无线通信的建设成本和运营成本都较低，所以应用也非常广泛。
3．移动通信系统
移动通信技术在20世纪50年代已经开始发展，但大规模进入通信领域只是近几年才开始的。移动通信是指通信双方（或一方）在通信过程中处于移动状态，因此移动通信必须采用无线方式。由于通信是在移动的过程中完成的，所以其通信技术与无线通信技术又有较大不同。
移动通信系统包括蜂窝移动、寻呼系统、无绳电话、集群调度以及卫星移动通信等。与固定通信相比，方便、快速、及时是移动通信的优势。
移动通信系统由移动终端、基站、交换中心等组成。移动终端是移动通信中的信源或信宿，如手机、对讲机、寻呼机、卫星电话机等。基站是与移动终端相联系的固定收发机，基站负责接收移动终端的信号或向移动终端发送信号，每个基站负责与一个特定区域内所有的移动终端进行联络。基站与交换中心之间通过有线或无线方式进行连接，交换中心的功能是进行通信交换。
手机是具有代表性的个人移动通信系统，它属于蜂窝移动通信系统。第一代个人移动通信采用模拟技术，使用800/900MHz频段，被称为蜂窝式模拟移动通信系统。目前广泛应用的第二代个人移动通信采用数字技术，使用900/1800MHz频段，能够提供语音和低速数据传输服务；在我国采用GSM和CDMA两种通信制式，中国移动提供GSM服务，中国联通提供GSM和CDMA服务。第三代个人移动通信（3rd Generation，3G）由国际电联（ITU）在2000年提出，一般是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，它能够方便、快捷地处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务；3G将具有更宽的带宽，其传输速度将达到100Kbps～300Kbps，不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用。
4．通信系统的性能指标
在实际的通信系统中，通常综合采用了多种高新技术。如综合有线、无线和卫星等多种通信方式，采用多路复用、分组交换、差错控制等通信技术，使通信系统的速度、效率、可靠性等都得到较大的提高。通信网络之间的互联互通也得到了较大发展。
数据通信系统的综合性能主要由以下指标来衡量：
（1）信道带宽。
带宽是指电信号频率的上下限之差。带宽越宽，则容量越大。带宽既可用来衡量通信线路，又可用来衡量信道（一条通信线路常常包含若干个信道）。信道带宽是该信道传输电信号频率的上下限之差，以MHz为单位，有时也将其称为信道容量，与传输介质、调制解调方法、通信控制手段有关。
（2）传输速率。
传输速率指进行数据传输时单位时间内所传输的二进制数据位的数量，以Kbps、Mbps等为单位。通常用来衡量进行数字通信时单个信道的数据传输能力。
（3）误码率。
在数字通信中衡量数据传输过程中发生错误的数据占传输数据总数的百分比，用来衡量数据传输的可靠程度。在模拟通信中不存在误码的概念，只有传输波形的畸变，可靠性用失真度衡量。
（4）通信延迟。
通信延迟是通信数据从发送端传输到接收端所花费的时间。由于数字数据通信中普遍采用分组交换和存储转发技术，所以通信延迟通常只用平均值来衡量。