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第三节 同步与复用
2.3.1 数据通信方式
按照信号在信道或传输介质中的传输方向分为：
1.单工通信(simplex)：数据总是沿信道的一个固定方向传送(如广播、电视)。
数据是单工的，信号是双工的
2.半双工通信：信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻只限于在一个方向传输。
通信的双方轮流使用共享信道发送信息或应答信号。
3.全双工通信：数据能同时沿信道的两个方向传输，即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息，其收、发信道分开设置，应答信号通常可利用另一传输信道传送。
四线制：采用两个单工通信设备完成全双工通信；
二线制：采用频分多路复用技术，将一条线路分成高频和低频两条信道。
2.3.2 同步技术
同步：通信双方的收发数据序列必须在时间上一致，以使接收方能准确地区分和接收发送方发来数据。
同步方式：同步传输、异步传输。
1.异步传输（起—止式同步方式）
异步传输：发送端和接收端的时钟信号是各自独立的。
特点：信息以字符为单位传输。
字符组成：1位起始位 5-8位数据位 0-1位奇/偶校验位 1-2位停止位
优点：无需统一的时钟信号，出错只需重发该字符即可，且控制简单。
缺点：传输效率低、速度慢。
适合：终端误码率要求高或数据率低的线路中。
2.同步传输
同步传输：发送端和接收端的时钟是一致（同步）的。
实现方法：自同步法、外同步法。
自同步法：从数据信息波形的本身提取同步信号（如曼彻斯特码、差分曼 彻斯特码）。
外同步法：不是在每个字符进行同步，而是在一组数据信息前后进行同步。又可分为面向字符的同步方式和面向位的同步方式。
特点：接收端靠提取其中的时钟信号来和发送方保持同步；每帧的控制信息常少于100比特。
优点：对于大块的数据，可获得更高的效率和速率。
缺点：若数据有一位出错，必须重发整块数据，且控制比较复杂。
面向字符的同步方式：数据传输以字符串为单位，发送端在发送数据信息前，先向接收端发出一个或多个同步字符SYN(编码为00101000) 。
面向位的同步方式：数据传输以数据块为单位，发送端在要发送的数据块的前后加上同步位模式F标志(编码为01111110）。
插0删0技术
2.3.3 多路复用技术
多路复用技术：通过多路复用器将多路信号组合在一条物理信道上传输，到接收端再用多路译码器将各路信号分离开输出，从而大大降低通信成本，提高通信线路的利用率。
1.频分多路复用FDMA(Frequency Division Multiplexing Access)
信号的频谱：信号的能量随频率的分布规律。
信号的带宽：信号频谱中能量集中的区域。
原理：在信道带宽大于各路信号总带宽时，将具有一定带宽的信道分割成若干个占有较小带宽的子信道，使每个子信道用来传输一路信号；为保证各路信号的频谱不重叠，在复用前需通过频谱搬移技术。
适合：较适用于传输模拟信号。
优点：原理简单，技术成熟，系统效率较高，可充分利用信道的频带。
缺点：各路信号之间容易产生串扰。
使用要求：一、复用频谱之间有足够大的保护间隔；
二、调制系统具有很高的线性滤波功能。
CCITT标准是将12条4KHz的话音信道复用在60-108KHz的频带上（12条话路构成一个基群，5个基群组成一个超群，5个超群组成一个主群）。
2.时分多路复用TDMA(Time Division Multiplexing Access)
原理：当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输。
(1).同步时分多路复用
原理：分配给每个终端数据源的时间片是固定的，不管该终端是否有数据发送，其时间片都不能被其它终端占用。
特点：复用同一信道的各个信号源所分配的时隙随固定但可以不相等。
优点：控制简单。
缺点：不能充分利用信道。
适用：主要用于电话系统中。
典例-T1信道：利用PCM和TDM技术，使24路话音信号分时复用一个信道。
实现：每路话音信号的带宽是3400Hz，根据采样定理，在发送端以每秒8000次的速率依次对每路声音信号进行采样，采样值送入编码／解码器；每个采样值被编码成7比特数字信号，再加上1比特控制信号，插入信道；24路信号的一次采样值组成一帧，另外加上便于帧同步的1个帧同步比特；于是一帧共有(7+1)×24+1＝193比特；每秒传输8000帧，因而总的数据速率为193×8000＝1.544Mbps。T1信道广泛用于北美和日本的电话系统中。
2.异步时分多路复用
又称为异步TDMA、统计时分多路复用、智能时分多路复用。
原理：允许动态的按需分配时间片，需要发送数据的终端须提出申请才能获得所需的时间片，否则时间片可以被其它终端占用。
特点：可以有n个信息源，k个可用的时隙（k<n），且输出数据速率比输入数据速率要小。
优点：可以充分利用信道。
缺点：控制较为复杂(当输入超过容量高峰时，需在复用器上加设缓冲器，以容纳临时超出的输入数据)。
适用：主要用于计算机网络中。
典例-E1信道：利用PCM和TDM技术，使30路话音信号分时复用一个信道。
实现：将信道的使用时间划分为32个时隙，其中30个时隙用于传用户的话
音信号，1个时隙用作帧同步，还有1个用于传输信令；
每个时隙传送8比特二进制位，采样频率也是8000次／秒；
总的数据速率是8×32×8000=2.048Mbps。
E1信道用于欧洲和我国的电话系统中。
3.波分多路复用WDMA(Wavelength Division Multiplexing Access)
——是计算机网络今后的主要通信传输复用技术之一
原理：类似于FDMA，为了能同时进行多路传输，需要将信道的带宽划分多个波段，是将FDMA应用于全光纤网组成的通信系统中。
实现：不同的信源使用不同波长(频率)的光波来传送数据，各路光波经过一个棱镜(或衍射光栅)合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。
目前10Gbps的光纤传输线路已实用化，按一个话路64Kbps计算，在一条光纤上能同时传送156250个话路。
4.码分多路复用CDMA(Coding Division Multiplexing Access)
特点：允许所有站在同一时间使用整个信道进行数据传送。
原理：每个比特时间再分成m个码片；
每个站分配一个唯一的m比特码序列；
当某个站欲发送“1”时，就在信道中发送它的码序列；
当欲发送“0”时，就发送它的码序列的反码；
当两个或多个站同时发送时，各路数据在信道中被线性相加。
码序列的性质：不同的码序列之间是相互正交的。
例如：用S和T分别表示两个不同的码序列，用S和T表示各自码序列的反码，那么应有如下关系式：S·T＝0，S·T＝0，S·S＝1和S·S＝-1。当某个站想要接收站X发送的数据时，它首先必须知道X的码序列(设为S)；假如从信道中收到的和矢量为P，那么通过计算S·P的值就可以提取出X发送的数据，如S·P=0表示X没有发送数据，S·P＝1表示X发送了“1”，S·P＝-1表示X发送了“0”。
第四节 交换技术
换:在网络中两个相距很远的设备间必须通过中间节点来进行通信的技术。
典型的交换技术：
2.4.1 电路交换（Circuit Switching）
原理：通过呼叫（拨号）在通信的双方之间建立起一条传输信息的实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被通信双方独占而不能被其它站使用，直到数据传输结束。
包括建立电路、传输数据和电路拆除三个阶段。
特点：通信双方形成一条专用物理通路。 单击此处显示信息传递过程
优点：数据传输可靠、速度快，且按序传送。
缺点：线路利用率低；电路建立和拆除的时间较长，通信量较小时，为建立和拆除电路所花费的时间得不偿失。
适用：实时通信、语音通信或系统间要求高质量、大数据量的数据传输。
2.4.2 报文交换
原理：以报文为数据传输单位，将报文连同目的地址等辅助信息采用“存储——转发”交换技术向前转发。
特点：无需建立专用通道。
优点：
一、无需建立专用通道，传送的报文可分时共享通路，从而提高线路利用率；
二、可以进行不同速率、不同码型的交换，从而实现不同种类的终端间的数据传送；
三、可实现把一个报文送到多个目的站点。
缺点:
一、报文不按顺序到达；
二、延迟时间较长,为“报文接收时间＋排队等待时间＋报文转发时间”；
三、中间节点须具备很大的存储空间，且大报文从外存调入内存增加了延迟时间；
四、大报文长时间占用线路进行传输，增加了其他小报文在网络中的延迟时间；
五、大报文出错率较高而引起频繁的重发，影响传输效率。
适用：电报、电子邮件等非实时系统。
2.4.3 分组交换
分组：将较长的报文分割成若干个一定长度（等长）的段，每段加上交换时所需的地址信息、差错校验信息，按规定格式构成的数据单元。
基本思想：限制信息的长度，以分组为单位进行存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文。
优点：缩短报文整体传播时间，出错重发率降低，提高了传输效率。
缺点：实现复杂。
适合：计算机间联网通信，是目前数据网络中最广泛使用的一种交换技术。
1.虚电路分组交换
特点：分组传送前在发送站和接收站间建立一条逻辑电路。
优点：数据传送前仅作一次路由选择；数据传送时不需目的地址减少了分组长度，节省通信处理时间等额外的开销；保证每个分组正确有序的到达。
缺点：当某个节点出故障时，沿途经过的虚电路瘫痪。
适合：系统之间长时间的数据交换。
2.数据报分组交换
数据报:指每个独立处理的报文分组。
特点：没有建立连接的过程；以数据报为信息单元来处理；接收节点根据网络中的实际情况等来选择路由；每个数据报经过的路径可能不同，到达时可能不按序，甚至有的数据报可能会丢失。
优点：传输少数分组时速度更快、灵活；且传输较为可靠，当某个节点出故障而失效，报文分组还可以通过其它路径进行传送。
缺点：分组不按序到达，不能及时发现分组丢失。
2.4.4 交换方式的选择与比较
（a）电路交换：先建立到终点间的连接，连接建立后，则无需路由选择，故无显著的延迟等待时间。
（b）报文交换：无需建立呼叫连接，但整个报文必须在节点开始重发前全部收到，且每次传送需重新选择路由，故整个延迟比电路交换长。
（c）虚电路分组交换：
申请虚拟连接，且分组到达每个节点都需要排队等待，故该方式不太适于实时的数据通信。
（d）数据报分组交换：
每个分组一到达各节点就可排队等待空闲时传输，不用等待整个报文，故明显快于报文交换。
由表可知分组交换适于报文短的数据通信；电路交换适于报文长且数据量大的数据通信。
第五节 信道的极限容量
2.5.1 数据传输速率
数据传输速率是衡量系统传输能力的主要指标。
通常有以下三种定义：调制速率、数据传输速率和数据传送速率。
1.调制速率 NBd (波特率、符号速率、码元速率)
定义：每秒种发送的信号码元的个数，单位为波特(Baud、Bd)。
如果信号码元的持续时间为T秒，即信号脉冲的周期为T秒，则调制速率为
2.数据传输速率 R (比特率)
定义：每秒种传输的二进制位的个数，单位为比特／秒(记作b/s或bps)、千比特／秒(记作Kb/s或Kbps)，兆比特／秒(记作Mb/s或Mbps)。
码元的不同状态：指在数字传输系统中用来携带数据信息的码元的某些特征（如幅值、相位等）的不同组合情况，其中每种状态可以用来表示一个数。
数据传输速率和调制速率间的关系：若某数字传输系统的码元状态数为M，也称数据信号为M电平或M进制，则该系统中两速率间的关系为：
当M=2时，R=NBd，即比特率在数值上等于波特率。
在研究传输数据速率时，常用数据传输速率；
在研究频带宽度时，常用调制速率；
在涉及系统实际传送能力时，则常用数据传送速率。
2.5.2 信道容量
信道带宽：在信道上所能传输的电信号的频率范围，单位为赫兹。
信道容量：以数据传输速率作为指标来表征一个信道传输数字信号的能力，即信道所能支持的最大数据传输速率。
它取决于信道本身的特征——带宽和信噪比，与具体的通信手段无关。
数据传输速率：信道实际上每秒钟传输的二进制比特的个数。
1.奈奎斯特定理
定义：对具有矩形频谱的无噪声信道，若信道带宽为BHz，所能传送的信号最高码元速率为2B波特，则离散的、无噪声的数字信道的信道容量C为：
C与码元状态数M有关，M越高C就越高，对于无噪信道，M可以取任意值，因而无噪信道的信道容量在理论上是无限的。
例如：若信道带宽为3000Hz，则极限数据传输速率为6000bps；当信号电平数M为8时，即log28=3，则极限数据传输速率为18000bps。
2.香农定理
香农定理推导出了带宽受限制且有随机热噪声干扰的信道的极限数据传输速率，信号的极限数据传输速率除了与信道带宽B有关外，还与信号功率对噪声功率的比值S/N（信噪比）有关，其最大的数据传输速率(信道容量)为：
实际中，用 10lg(S/N) 来表示信道的信噪比，单位为分贝(dB)。
例如：若信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则极限数据传输速率为：
信道的带宽B越大或信道中的信噪比S/N越大，则信息的极限数据传输速率就越高。
信号在信道里实际传输的过程中还受其他的损失，故实际信道所能够达到的信息传输速度要比香农定理的极限数据传输速率低得多。
物理层的数据传输单位是二进制位。
物理层的作用：向其上的数据链路层提供透明地传输二进制比特流的能力。
物理层的主要任务：规定了与传输媒体的接口的四个特性。
2.6.1 物理层的功能
1.物理连接的建立、维持与释放
“建立”或“激活”一个连接：准备好一些必要的资源供发送和接收比特流时使用。
“释放”或“去活”一个连接：释放这些资源，以供其他的连接使用。
2.物理服务数据单元的传输
串行传输：按照时间顺序一个比特、一个比特地进行传送。。
串行传输的方式可采用同步传输方式，也可采用异步传输方式。
3.物理层管理
物理层管理：完成物理层的某些管理事务，如确定代码格式、通信方式、同步方式以及异常情况处理、故障情况报告等。
2.6.2 物理层的模型
数据终端设备DTE：指具有一定的数据处理能力以及发送和接收能力的设备。
DTE可以是一台计算机或一个终端，也可以是各种I/O设备；
两个互相通信的DTE可以将其中的一个称为是信源，而将另一个称为是信宿。
数据电路端接设备DCE：是在DTE和传输线路之间增加的一个中间设备。
作用：在DTE和传输网络间提供信号变换和编码的功能，并负责建立、维持和释放
数据链路的连接。
2.6.3 物理层的特性
物理层接口有四个技术特性:
1.机械特性：规定了物理连接时接口所需连接插件的形状、规格尺寸、引脚数量、排列情况以及固定和锁定装置等。
2.电气特性：规定了DTE和DCE间导线的电气连接及有关电路方面的特性。
DTE和DCE之间各根导线的电气连接方式有：
非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式、平衡方式。
3.功能特性：定义了DTE和DCE间各信号线的功能，即某条信号线上出现的某一电平的电压表示何种确切含义。
按功能可以分为：数据信号线、控制信号线、定时信号线、接地信号线。
4.规程特性：定义了利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，即在建立、维持、拆除物理连接及信息交换过程中，各信号线的工作规则和先后顺序。
DTE和DCE之间的各根导线的电气连接方式：
非平衡方式：采用分立元件技术设计的非平衡接口；每个电路使用一根导线，收发两方向共用一根信号地线，所以会产生比较大的串扰；信号速率≤20Kbps，传输距离≤15m。采用差动接收器的非平衡方式：采用集成电路技术设计的非平衡接口，使用非平衡式发送器和差动接收器；每个电路使用一根导线，但每方向都用独立的信号地线，使串扰信号减小；信号速率可达300Kbps，传输距离为10m(300Kbps时)-1000m(≤3Kbps时)。
平衡方式：采用集成电路技术设计的平衡接口，使用平衡式发送器和差动接收器；
每个电路采用两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使串扰信号减至最小；信号
物理层规程主要分为：用于模拟信道和用于数字信道两种。
V系列标准:指数据终端设备与调制解调器或网络控制器之间的接口，用于模拟信道接口,较复杂,如计算机异步通信接口EIA RS-232-E ；
X系列标准:适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据终端设备之间的接口，用于数字信道接口,较简单，如较新的EIA RS-449及X.21建议。
2.7.1 EIA RS-232-E
EIA RS-232-E（相当于CCITT建议书中的V.24）是美国电子工业协会EIA制订的著名物理层标准，规定了DTE和DCE间的接口标准，是使用得最广泛的串行物理接口标准。
EIA RS-232-E的主要特点：
1.机械特性：使用25根引脚的DB-25标准连接器，插头用于DTE侧，插座用于DCE侧。
2.电气特性
采用负逻辑，即逻辑0相当于对信号地线有+3V或更高的电压；而逻辑l相当于对信号地线有-3V或更低的电压；±3V电压之间为过渡区。
其中逻辑0相当于数据的“0”(空号)或控制线的“接通”状态；而逻辑1则相当于数据的“1”(传号)或控制线的“断开”状态。
采用的电气连接方式是非平衡方式，当两台设备直接相连时，最大传输距离不超过15m时，允许接口数据传输速率不超过20Kbps。
3.功能特性
规定了DTE和DCE之间各个信号线的 连接情况及其功能和作用。
定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中包括地线、数据线、控制线和定时信号线，另外还有5根线没有定义，作为备用。
4.规程特性
规定了DTE和DCE之间信号时序的应 答关系和操作过程。
发送数据过程的三个阶段：
建立连接阶段：· 拨号及设备准备阶段；· 线路保证阶段；· 信道准备阶段。
2.7.2 RS-449接口标准
EIA RS-232的接口标准有两个较大的弱点：
数据的传输速率最高仅为20 Kbps、连接电缆的最大长度不超过15m
RS-449（相当于CCITT的建议书中的V.35）是一个一体化的3个标准，包含两个电气子标准RS-423-A和RS-422-A，在保持与RS-232兼容的前提下，重新定义了信号电平、改进了电气连接方式，提高了数据传输速率和最大传输距离。
功能特性：采用了37根和9根引脚的插头座。
电气特性：
RS-423-A 规定采用半平衡式电气标准，将信号电平定义为±6V（±4V为过渡区）的负逻辑，提高了传输速率和传输距离。
RS-422-A 规定采用平衡式电气标准，将信号电平定义为±6V（±2V为过渡区）的负逻辑，并且采用完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强，可将传输速率提高到2Mbps，连接电缆长度可超过60m。
数据交换阶段 断开连接阶段
EIA RS-232／V.24用于标准电话线路(一个话路)的物理层接口；
RS-449／V.35则用于宽带电路(一般都是租用电路)，其典型的传输速率为48—168Kbps，都是用于点到点的同步传输。
RS-423-A电气标准可以看作是从EIA RS-232向RS-449全面过渡的一个中间过程。
2.7.3 CCITT X.21
X.21建议是CCITT制订的一个用户计算机DTE与数字化DCE交换信号的数字接口标准，适用于由数字线路访问公共数据网。
机械特性：采用15根引脚的标准连接器，并且仅定义了其中8根引脚。
其中T线和C线由DTE用来传送数据和控制信息；R线和I线由DCE用来传送数据和控制信息；S线和B线由DCE用来向DTE发送同步时钟信号。
电气特性：采用平衡电气连接方式，可实现半双工或全双工的同步传输，最大传输速率可达到10Mbps，最大传输距离为300m。
本地DTE与远程DTE的通信过程可分为四个阶段：
空闲或静止阶段。 呼叫建立连接阶段。
数据传输阶段。 连接清除阶段。
