數(shù)據(jù)通信基本知識

據(jù)通信基本知識 數(shù)據(jù)通信基本知識 所有計算機之間之間通過計算機網(wǎng)絡(luò)的通信都涉及由傳輸介質(zhì)傳 輸某種形式的數(shù)據(jù)編碼信號。傳輸介質(zhì)在計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間 起互連和通信作用，為數(shù)據(jù)信號提供從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點的 物理通路。計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸介質(zhì)可分為有線和無線 傳輸介質(zhì)兩大類。 ―、有線傳輸介質(zhì)(Wired Tra nsmissio n Media) 有線傳輸介質(zhì)在數(shù)據(jù)傳輸中只作為傳輸介質(zhì)，而非信號載體。計 算機網(wǎng)絡(luò)中流行使用的有線傳輸介質(zhì)(Wired Transmission Media)為： 銅線和玻璃纖維。 1. 銅線 銅線(Copper Wire)由于具有較低的電阻率、價廉和容易安裝等優(yōu) 點因而成為最早用于計算機網(wǎng)絡(luò)中的傳輸介質(zhì)，它以介質(zhì)中傳輸?shù)碾?流作為數(shù)據(jù)信號的載體。為了盡可能減小銅線所傳輸信號之間的相互 干涉(I nterferenee)，我們使用兩種基本的銅線類型：雙絞線和同軸電 纜。 (1) 雙絞線 雙絞線(Twisted Pair)是把兩條互相絕緣的銅導(dǎo)線紐絞起來組成一 條通信線路，它既可減小流過電流所輻射的能量，也可防止來自其他 通信線路上信號的干涉。雙絞線分屏蔽和無屏蔽兩種，其形狀結(jié)構(gòu)如 圖1.1所示。雙絞線的線路損耗較大，傳輸速率低，但價格便宜，容易 安裝，常用于對通信速率要求不高的網(wǎng)絡(luò)連接中。 (2) 同軸電纜 同軸電纜(Coaxial Cable)由一對同軸導(dǎo)線組成。同軸電纜頻帶寬， 損耗小，具有比雙絞線更強的抗干擾能力和更好的傳輸性能。按特性 阻抗值不同，同軸電纜可分為基帶 (用于傳輸單路信號)和寬帶(用于同 時傳輸多路信號)兩種。同軸電纜是目前LAN局域網(wǎng)與有線電視網(wǎng)中普 遍采用的比較理想的傳輸介質(zhì)。 2. 玻璃纖維 目前，在計算機網(wǎng)絡(luò)中十分流行使用易彎曲的石英玻璃纖維來作 為傳輸介質(zhì)，它以介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠?光脈沖信號)作為信息載體，因此 我們又將之稱為光導(dǎo)纖維，簡稱光纖(Optical Fiber)或光纜(Optical Cable)。 光纜由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維(纖芯)，外加包層(硅橡膠)和 保護層構(gòu)成。在光纜一頭的發(fā)射器使用 LED 光發(fā)射二極管 (Light Emitti ng Diode)或激光(Laser)來發(fā)射光脈沖，在光纜另一頭的接收器 使用光敏半導(dǎo)體管探測光脈沖。 模擬數(shù)據(jù)通信與數(shù)字數(shù)據(jù)通信 ―、通信信道與信道容量(Comm uni cati on Cha nnel & Cha nnel Capacity) 通信信道(Communication Channel)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，在計?機網(wǎng)絡(luò)中信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道指用于傳輸數(shù)據(jù)信 號的物理通路，它由傳輸介質(zhì)與有關(guān)通信設(shè)備組成；邏輯信道指在物 理信道的基礎(chǔ)上，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信號的雙方通過中間結(jié)點所實現(xiàn)的 邏?quot;聯(lián)系"，由此為傳輸數(shù)據(jù)信號形成的邏輯通路。邏輯信道可以 是有連接的，也可以是無連接的。物理信道還可根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同 而分為有線信道和無線信道，也可按傳輸數(shù)據(jù)類型的不同分為數(shù)字信 道和模擬信道。信道容量(Channel Capacity)指信道傳輸信息的最大 能力：對于數(shù)字信道一般用單位時間可以傳輸?shù)淖畲蠖M制位(比特bit) 數(shù)來表示，對于模擬信道則由信道的帶寬表示。信道容量的大小還受 信道質(zhì)量和可使用時間的影響，當信道質(zhì)量較差時，實際傳輸速率將 降低。 二 、 模 擬 數(shù) 據(jù) 通 信 和 數(shù) 字 數(shù) 據(jù) 通 信 (Analog Data Communication & Digital Data Communication) 1. 模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù) 我們一般將數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩大類。 模擬數(shù)據(jù)(Analog Data)是由傳感器采集得到的連續(xù)變化的值，例 如溫度、壓力，以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像。 數(shù)字數(shù)據(jù)(Digital Data)則是模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的值，例如 在計算機中用二進制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數(shù)據(jù)。目前， ASCII 美國信息交換標準碼(Americ an Standard Code for Information Interchange)已為ISO國際標準化組織和CCITT國際電 報電話咨詢委員會所采納，成為國際通用的信息交換標準代碼，使用7 位二進制數(shù)來表示一個英文字母、數(shù)字、標點或控制符號；圖形、音 頻與視頻數(shù)據(jù)則可分別采用多種編碼格式。 2. 模擬信號與數(shù)字信號 (1) 模擬信號與數(shù)字信號 不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號才能進行傳輸：模擬數(shù)據(jù)一般 采用模擬信號(Analog Signal)，例如用一系列連續(xù)變化的電磁波(如無 線電與電視廣播中的電磁波)，或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信 號)來表示；數(shù)字數(shù)據(jù)則采用數(shù)字信號(Digital Signal)，例如用一系列 斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進制數(shù) 1，用恒 定的負電壓表示二進制數(shù) 0)，或光脈沖來表示。當模擬信號采用連續(xù) 變化的電磁波來表示時，電磁波本身既是信號載體，同時作為傳輸介 質(zhì)；而當模擬信號采用連續(xù)變化的信號電壓來表示時，它一般通過傳 統(tǒng)的模擬信號傳輸線路(例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng))來傳輸。當數(shù)字信號 采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表示時，一般則需要用雙絞線、電纜 或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來，才能將信號從一個節(jié)點傳到另一個 節(jié)點。 (2) 模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換 模擬信號和數(shù)字信號之間可以相互轉(zhuǎn)換：模擬信號一般通過 PCM 脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulatio n) 方法量化為數(shù)字信號，即讓模擬信號的不同幅度分別對應(yīng)不同的 二進制值，例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2人8=256個量級， 實用中常采取 24 位或 30 位編碼；數(shù)字信號一般通過對載波進行移相 (Phase S hift)的方法轉(zhuǎn)換為模擬信號。計算機、計算機局域網(wǎng)與城域 網(wǎng)中均使用二進制數(shù)字信號，目前在計算機廣域網(wǎng)中實際傳送的則既 有二進制數(shù)字信號，也有由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而得的模擬信號。但是更具 應(yīng)用發(fā)展前景的是數(shù)字信號。 3. 模擬數(shù)據(jù)通信與數(shù)字數(shù)據(jù)通信 (1)模擬數(shù)據(jù)通信 路來傳輸模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)對應(yīng)的模擬信號。例如目前我們廣 泛使用公用電話線路來傳輸語音或計算機數(shù)字數(shù)據(jù)對應(yīng)的模擬信號， 我們也可以使用公共有線電視網(wǎng)來傳輸視頻和計算機數(shù)字數(shù)據(jù)對應(yīng)的 模擬信號；而微波與衛(wèi)星通信傳輸?shù)囊部梢允悄M數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)對 應(yīng)的模擬信號。 為了用模擬數(shù)據(jù)通信的方法實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的遠距離傳 輸，我們一般不直接傳輸模擬信號(包括由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而來的模擬信 號)，而是在發(fā)送方使用某一頻率的電磁波作為載波(Carrier)，然后用 模擬信號或數(shù)字信號對其進行調(diào)制(Modulation)，調(diào)制后的載波信號 (為模擬信號)占有以該載波頻率為中心的一段頻譜，并能在適于該載波 頻率的介質(zhì)上傳輸；而在接收方則通過解調(diào)制(Demodulatio n)還原疊 加于載波上的模擬信號或數(shù)字信號。我們將可同時完成調(diào)制和解調(diào)的 裝置稱為調(diào)制解調(diào)器(MODEM)。 (2) 數(shù)字數(shù)據(jù)通信 數(shù)字數(shù)據(jù)通信(Digital Data Communication)指直接利用數(shù)字傳 輸技術(shù)在數(shù)字設(shè)備之間傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，或模擬數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)字信號。 由于計算機使用二進制數(shù)字信號，因而計算機與其外部設(shè)備之間，以 及計算機局域網(wǎng)、城域網(wǎng)大多直接采用數(shù)字數(shù)據(jù)通信。此外，目前北 美采用的24路PCM脈碼調(diào)制(速率為1. 544Mpbs)，以及歐洲和我國 采用的30路PCM脈碼調(diào)制(速率為2.048Mbps)電話系統(tǒng)均是數(shù)字數(shù) 據(jù)通信系統(tǒng)。由于數(shù)字數(shù)據(jù)通信傳送的是離散的數(shù)字信號，即逐位傳 送二進制數(shù)字代碼，因此要求系統(tǒng)應(yīng)能確知傳輸線 上正在傳送的數(shù)位是0還是1。 (3) 數(shù)字數(shù)據(jù)通信的優(yōu)點 與模擬數(shù)據(jù)通信相比較，數(shù)字數(shù)據(jù)通信具有下列優(yōu)點： a. 來自聲音、視頻和其他數(shù)據(jù)源的各類數(shù)據(jù)均可統(tǒng)一為數(shù)字信號 的形式，并通過數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸 b. 以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，并通過檢錯編碼和重發(fā)數(shù)據(jù)幀來發(fā) 現(xiàn)與糾正通信錯誤，從而有效保證通信的可靠性 c. 在長距離數(shù)字通信中可通過中繼器放大和整形來保證數(shù)字信號 的完整及不累積噪音 d. 使用加密技術(shù)可有效增強通信的安全性 e. 數(shù)字技術(shù)比模擬技術(shù)發(fā)展更快，數(shù)字設(shè)備很容易通過集成電路 來實現(xiàn)，并與計算機相結(jié)合，而由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā) 展，數(shù)字設(shè)備的體積與成本的下降速度大大超過模擬設(shè)備，性能/價格 比高 f. 多路光纖技術(shù)的發(fā)展大大提高了數(shù)字通信的效率。 需要指出，鑒于傳統(tǒng)公用電話網(wǎng)已在世界范圍普及，目前家庭個 人計算機用戶大都通過電話線路與計算機網(wǎng)絡(luò)相連；此外，隨著衛(wèi)星 通信的發(fā)展，高容量、高寬帶的多路復(fù)用傳輸也大大提高了模擬通信 的傳輸效率。但是，如果在兩臺計算機的通信線路之間，只有部分電 路采用數(shù)字通信，則數(shù)字通信的優(yōu)點并不能充分地得到發(fā)揮。因此， 為了提高通信效率，有條件的用戶應(yīng)安裝數(shù)字數(shù)據(jù)通信專線，或直接 接入局域網(wǎng)；此外，應(yīng)大力發(fā)展陸上和海底的洲際光纜。近20 年來， 數(shù)字數(shù)據(jù)通信技術(shù)已開始發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，數(shù)字通信已開 始在長距離話音和數(shù)字數(shù)據(jù)領(lǐng)域逐漸替代傳統(tǒng)的模擬通信。計算機網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，則大大推動了數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展?？梢灶A(yù) 言，數(shù)字數(shù)據(jù)通信最終將取代模擬數(shù)據(jù)通信。 數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標 在數(shù)字通信中，我們一般使用比特率和誤碼率來分別描述數(shù)據(jù)信 號傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞等；在模擬通信中，我們常使用 帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率。 *1 -H+r^V 1. 帶寬 在模擬信道中，我們常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即 傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差。理論分析表明，模擬信道的帶 寬或信噪比越大，信道的極限傳輸速率也越高。這也是為什么我們總 是努力提高通信信道帶寬的原因。 2.比特率 在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi) 傳輸?shù)亩M制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位為每秒比特數(shù) bit/s(bps)、每秒千比特數(shù)(Kbps)或每秒兆比特數(shù)(Mbps)來表示(此處 K和M分別為1000和1000000，而不是涉及計算機存儲器容量時的 1024和1048576)。 3. 波特率 波特率指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制 狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特(B aud)。波特率與比特率的關(guān)系 為：比特率二波特率X單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進制位數(shù)。 顯然，兩相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)1個二進制位)的比特率等于波 特率；四相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)2個二進制位)的比特率為波特率的 兩倍；八相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)3個二進制位)的比特率為波特率的 三倍；依次類推。 4. 誤碼率 誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤率。在計算機網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字 信號誤碼率低于10人(-6)。 數(shù)據(jù)傳輸方式(Data Tra nsmissio n Mode) 一、基帶信號與寬帶信號以及它們的傳輸 1. 基帶信號與基帶傳輸 基帶信號(Baseband Signal)直接用兩種不同的電壓來表示數(shù)字信 號1和0 ，因此我們將對應(yīng)矩形電脈沖信號的固有頻率稱為"基帶" ，相 應(yīng)的信號稱為基帶信號。 基帶傳輸(Baseba nd Tra nsmissio n)f旨通過有線信道直接傳輸基帶 信號，一般用于傳輸距離較近的數(shù)字通信系統(tǒng)，如基帶局域網(wǎng)系統(tǒng)。 2. 寬帶信號 寬帶信號(Wideba nd Sig nal)用多組基帶信號1和0分別調(diào)制不同 頻率的載波，并由這些分別占用不同頻段的調(diào)制載波組成。 3.多路復(fù)用 為了充分利用通信干線的通信能力，人們廣泛使用多路復(fù)用 (Multiplex)技術(shù)，即讓多路通信信道同時共用一條線路。多路復(fù)用可 分為頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用。 ?頻分多路復(fù)用 當我們采用寬帶信號時，由于同一線路上不同頻率的各路信道互 不干擾地同時傳輸各自的信號，我們稱之為頻分多路復(fù)用 (Frequency -Divisio n Multiplex in g)。頻分多路復(fù)用常用于寬帶網(wǎng)絡(luò)中。 ?時分多路復(fù)用 當我們采用基帶信號時，如讓各路通信按時間順序瞬時地分別占 有線路的整個頻帶，并周期性地重復(fù)此過程，該線路就按時間分隔成 了多個邏輯信道，我們稱之為時分多路復(fù)用(Time Multiplex in g)。其 中，同步分時多路通信可以確定每個信道何時使用線路；反之則稱為 異步分時多路通信。時分多路復(fù)用常用于基帶網(wǎng)絡(luò)中。 二、 并行與串行方式(Parallel & Serial Mode) 根據(jù)一次傳輸數(shù)位的多少可將基帶傳輸分為并行(Parallel)方式和 串行(Serial)方式，前者是通過一組傳輸線多位同時傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，后 者是通過一對傳輸線逐位傳輸數(shù)字代碼。通常，計算機內(nèi)部以及計算 機與并行打印機之間采用并行方式，而傳輸距離較遠的數(shù)字通信系統(tǒng) 多采用串行方式。 并行傳輸方式要求并行的各條線路同步，因此需要傳輸定時和控 制信號，而并行的各路信號在經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)與放大處理時，將引起不同的 延遲與畸變，故較難實現(xiàn)并行同步。若采用更復(fù)雜的技術(shù)、設(shè)備與線 路，其成本會顯著上升。故在遠距離數(shù)字通信中一般不使用并行方式。 串行通信雙方常以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸信息，但由于串行方式只能逐位 傳輸數(shù)據(jù)，因此，在發(fā)送方需要進行信號的并/串轉(zhuǎn)換，而接收方則需 要進行信號的串/并轉(zhuǎn)換。 三、 單工、半雙工和全雙工方式 (Simplex, Half Duplex & Full Duplex) 根據(jù)通信雙方的分工和信號傳輸方向可將通信分為三種方式：單 工、半雙工與全雙工。在計算機網(wǎng)絡(luò)中主要采用雙工方式，其中：局 域網(wǎng)采用半雙工方式，城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)采用全雙年方式。 1. 單工(Simplex)方式：通信雙方設(shè)備中發(fā)送器與接收器分工明確， 只能在由發(fā)送器向接收器的單一固定方向上傳送數(shù)據(jù)。采用單工通信 的典型發(fā)送設(shè)備如早期計算機的讀卡器，典型的接收設(shè)備如打印機。 2. 半雙工(Half Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接 收器，兩臺設(shè)備可以相互傳送數(shù)據(jù)，但某一時刻則只能向一個方向傳 送數(shù)據(jù)。例如，步話機是半雙工設(shè)備，因為在一個時刻只能有一方說 話。 3. 全雙工(Full Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接 收器，兩臺設(shè)備可以同時在兩個方向上傳送數(shù)據(jù)。例如，電話是全雙 工設(shè)備，因為雙方可同時說話。 四、異步傳輸與同步傳輸 (Asynchronous & Synchronous Transmission) 1. 同步問題的重要性 在數(shù)字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。當發(fā)送器通 過傳輸介質(zhì)向接收器傳輸數(shù)據(jù)信息時，如每次發(fā)出一個字符 (或一個數(shù) 據(jù)幀)的數(shù)據(jù)信號，接收器必須識別出該字符 (或該幀)數(shù)據(jù)信號的開始 位和結(jié)束位，以便在適當?shù)臅r刻正確地讀取該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號的 每一位信息，這就是接收器與發(fā)送器之間的基本同步問題。 當以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時，為了保證傳輸信號的完整性和準確 性，除了要求接收器應(yīng)能識別每個字符(或數(shù)據(jù)幀)對應(yīng)信號的起止，以 保證在正確的時刻開始和結(jié)束讀取信號，也即保持傳輸信號的完整性 外；還要求使其時鐘與發(fā)送器保持相同的頻率，以保證單位時間讀取 的信號單元數(shù)相同，也即保證傳輸信號的準確性。 因此當以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時，要求發(fā)送器應(yīng)對所發(fā)送的信號 采取以下兩個措施：①在每幀數(shù)據(jù)對應(yīng)信號的前面和后面分別添加有 別于數(shù)據(jù)信號的開始信號和停止信號；②在每幀數(shù)據(jù)信號的前面添加 時鐘同步信號，以控制接收器的時鐘同步。 2. 異步傳輸與同步傳輸 異步傳輸與同步傳輸均存在上述基本同步問題：一般采用字符同 步或幀同步信號來識別傳輸字符信號或數(shù)據(jù)幀信號的開始和結(jié)束。兩 者之間的主要區(qū)別在于發(fā)送器或接收器之一是否向?qū)Ψ桨l(fā)送時鐘同步 信號。異步傳輸(Asynchronous Transmission)以字符為單位傳輸數(shù) 據(jù)，采用位形式的字符同步信號，發(fā)送器和接收器具有相互獨立的時 鐘(頻率相差不能太多)，并且兩者中任一方都不向?qū)Ψ教峁r鐘同步信 號。異步傳輸?shù)陌l(fā)送器與接收器雙方在數(shù)據(jù)可以傳送之前不需要協(xié)調(diào)： 發(fā)送器可以在任何時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收器必須隨時都處于準備接收 數(shù)據(jù)的狀態(tài)。計算機主機與輸入、輸出設(shè)備之間一般采用異步傳輸方 式，如鍵盤、典型的 RS-232 串口(用于計算機與調(diào)制解調(diào)器或 ASCII 碼終端設(shè)備之間)：發(fā)送方可以在任何時刻發(fā)送一個字符(由一個開始位 引導(dǎo)，然后連續(xù)發(fā)完該字符的各位，后跟一個位長以上的啞位)。 同步傳輸(Synchronous Transmission)以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)， 可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號(后者的傳輸效率和可靠性 高)，由發(fā)送器或接收器提供專用于同步的時鐘信號。在短距離的高速 傳輸中，該時鐘信號可由專門的時鐘線路傳輸；計算機網(wǎng)絡(luò)采用同步 傳輸方式時，常將時鐘同步信號植入數(shù)據(jù)信號幀中，以實現(xiàn)接收器與 發(fā)送器的時鐘同步。 錯誤檢測與修正(Error Check & Correct) 在數(shù)字數(shù)據(jù)通信中，由發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號禎(Frame)在經(jīng)由網(wǎng) 絡(luò)傳到接收器后，由于多種原因可能導(dǎo)致錯誤位(bit errors)的出現(xiàn)， 因此必須由接收器采取一定的措施探測出所有的錯誤位，并進而采取 一定的措施予以修正。 ―、錯誤檢測的基本原理(Pri nciple of Error Check) 發(fā)送器向所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號禎添加錯誤檢驗碼(Check Bits)，并取 該錯誤檢測碼作為該被傳輸數(shù)據(jù)信號的函數(shù)；接收器根據(jù)該函數(shù)的定 義進行同樣的計算，然后將兩個結(jié)果進行比較：如果結(jié)果相同，則認 為無錯誤位；否則認為該數(shù)據(jù)禎存在有錯誤位。 —般說來，錯誤檢測可能出現(xiàn)三種結(jié)果： 1. 在所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中未探測到，也不存在錯誤位 2. 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個或多個被探測到的錯誤位，但不存在 未探測到的錯誤位 3. 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個或多個沒有被探測到的錯誤位。 顯然我們希望盡可能好地選擇該檢測函數(shù)，使檢測結(jié)果可靠，即： 所有的錯誤最好都能被檢測出來；如檢測出現(xiàn)無錯結(jié)果，則應(yīng)不再存 在任何未被檢測出來的錯誤。 實際采用的錯誤檢測方法主要有兩類：奇偶校驗(Parity)和CRC循 環(huán)冗余校驗(Cyclic Red un da ncy C heck)。 二奇偶校驗(Parity) 1. 單向奇偶校驗 單向奇偶校驗(Row Parity)由于一次只采用單個校驗位，因此又稱 為單個位奇偶校驗⑸ngle Bit Pa rity)。發(fā)送器在數(shù)據(jù)禎每個字符的信 號位后添一個奇偶校驗位，接收器對該奇偶校驗位進行檢查。典型的 例子是面向 ASCII 碼的數(shù)據(jù)信號禎的傳輸，由于 ASCII 碼是七位碼， 因此用第八個位碼作為奇偶校驗位。單向奇偶校驗又分為奇校驗(Odd Parity)和偶校驗(Even Parity)，發(fā)送器通過校驗位對所傳輸信號值的 校驗方法如下：奇校驗保證所傳輸每個字符的 8 個位中 1 的總數(shù)為奇 數(shù)；偶校驗則保證每個字符的8個位中1的總數(shù)為偶數(shù)。 顯然，如果被傳輸字符的7個信號位中同時有奇數(shù)個(例如1、 3、 5、7)位出現(xiàn)錯誤，均可以被檢測出來；但如果同時有偶數(shù)個(例如 2、 4、6)位出現(xiàn)錯誤，單向奇偶校驗是檢查不出來的。 一般在同步傳輸方式中常采用奇校驗，而在異步傳輸方式中常采 用偶校驗。 2. 雙向奇偶校驗 為了提高奇偶校驗的檢錯能力，可采用雙向奇偶校驗 (Row and Column Parity)，也可稱為雙向冗余校驗(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。 三、CRC 循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check) 1.CRC循環(huán)冗余校驗的基本原理 發(fā)送器和接收器約定選擇同一個由 n+1 個位組成的二進制位列 P 作為校驗列，發(fā)送器在數(shù)據(jù)禎的K個位信號后添加n個位（n < K）組成 的FCS禎檢驗列（Frame Check Sequenee），以保證新組成的全部信 號列值可以被預(yù)定的校驗二進制位列 P 的值對二取模整除；接收器檢 驗所接收到數(shù)據(jù)信號列值（含有數(shù)據(jù)信號禎和FCS禎檢驗列）是否能被校 驗列P對二取模整除，如果不能，則存在傳輸錯誤位。P被稱為CRC 循環(huán)冗余校驗列，正確選擇P可以提高CRC冗余校驗的能力。（注：對 二取模的四則運算指參與運算的兩個二進制數(shù)各位之間凡涉及加減運 算時均進行XOR異或運算，即：1 XOR 1=0 , 0 XOR 0=0 , 1 XOR 0=1）?？梢宰C明，只要數(shù)據(jù)禎信號列M和校驗列P是確定的，則可以 唯一確定FCS禎檢驗列（也稱為CRC冗余檢驗值）的各個位。 FCS幀檢驗列可由下列方法求得：在M后添加n個零后對二取模 整除以P所得的余數(shù)。 例如：如要傳輸?shù)腗=7位列為1011101 ,選定的P校驗二進制 位列為10101（共有n + 1 = 5位），對應(yīng)的F CS幀校驗列即為用1011101 0000（共有 M+n=7+4=11 位）對二取模整除以 10101 后的余數(shù) 0111（共有 n=4 位）。因此，發(fā)送方應(yīng)發(fā)送的全部數(shù)據(jù)列為 10111010111。接收方將收到的 11 位數(shù)據(jù)對二取模整除以 P 校驗二 進制位列10101，如余數(shù)非0，則認為有傳輸錯誤位。 2. CRC循環(huán)冗余校驗標準多項式P（X） 為了表示方便，實用時發(fā)送器和接收器共同約定選擇的校驗二進 制位列 P 常被表示為具有二進制系數(shù)（1 或 0）的 CRC 標準校驗多項式 P（X）。 （1）CRC循環(huán)冗余校驗常用的標準多項式P（X） 常用的CRC循環(huán)冗余校驗標準多項式如下： CRC（16 位）二 X人16+X人15+X人2+1 CRC（CCITT） = XA16+XA12+XA5 + 1 CRC（32 位 ） =XA32+XA26+XA23+XA16+XA12+XA11+XA10+XA8+XA7+XA 5+XA4+XA2+X+1 以 CRC(16 位)多項式為例，其對應(yīng)校驗二進制位列為 1 1000 0000 0000 0101。 注意：這兒列出的標準校驗多項式P(x)都含有(X+1)的多項式因子; 各多項式的系數(shù)均為二進制數(shù)，所涉及的四則運算仍遵循對二取模的 運算規(guī)則。 (2)CRC循環(huán)冗余校驗標準多項式P(X)的檢錯能力 CRC 循環(huán)冗余校驗具有比奇偶校驗強得多的檢錯能力?？梢宰C明： 它可以檢測出所有的單個位錯、幾 乎所有的雙個位錯、低于P(X)對應(yīng)二進制校驗列位數(shù)的所有連續(xù) 位錯、大于或等于P(X)對應(yīng)二進制校驗列位數(shù)的絕大多數(shù)連續(xù)位錯。 但是，當傳輸中發(fā)生的錯誤多項式E(X)能被校驗多項式P(X)對二 取模整除時，它就不可能被P(X)探測出來，例如當E(X)二P(X)時。 四、錯誤修正(Error Correction) 對數(shù)據(jù)信號禎傳輸過程中的位錯進行修正的方法主要有兩種： 1. 由發(fā)送器提供錯誤修正碼，然后由接收器自己修正錯誤 2. 在接收器發(fā)現(xiàn)接收到的錯誤禎中有位錯誤時，通知發(fā)送器重新 發(fā)送數(shù)據(jù)信號禎。 前一種方法中的錯誤修正碼需要發(fā)送器由被傳送數(shù)據(jù)信號禎計算 得到，然后添加到數(shù)據(jù)禎的后面，其長度幾乎等于數(shù)據(jù)位數(shù)，導(dǎo)致效 率降低 50%，實際采用不多;一般采用后一種較為有效的重發(fā)送方法。 數(shù)據(jù)交換技術(shù)(Data Switch ing Tech nology) 在數(shù)據(jù)通信線路中，最簡單的形式是在由某種傳輸介質(zhì)直接連接 的兩臺設(shè)備之間進行通信。但在長距離通信中，從源站發(fā)出的數(shù)據(jù)一 般還需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中一個或多個用作交換設(shè)備的中間結(jié)點，由相應(yīng)結(jié) 點的交換設(shè)備把數(shù)據(jù)從一個結(jié)點傳送到另一個結(jié)點，直至到達目的站。 通常我們將交換網(wǎng)絡(luò)中所有通信的發(fā)送方與接收方的主機均簡稱為站， 而將通信交換設(shè)備簡稱為結(jié)點。這些結(jié)點以不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)用傳輸 線路互相連接起來，而每個站點都連接到某個結(jié)點上。 在交換網(wǎng)絡(luò)中，站點之間需要通過有關(guān)結(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換才能 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，基本的交換技術(shù)有兩類：電路交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)，存儲 轉(zhuǎn)發(fā)又可以分為報文交換和分組交換，分組交換則可分為面向連接的 虛電路傳輸和無連接的數(shù)據(jù)報傳輸。目前，最具有發(fā)展前景的是高速 分組交換技術(shù)。 ―、電路交換（Circuit Switchi ng） 電路交換（Circuit Switchi ng）是在兩個站點之間通過通信子網(wǎng)的結(jié) 點建立一條專用的通信線路，這些結(jié)點通常是一臺采用機電與電子技 術(shù)的交換設(shè)備（例如程控交換機）。也就是說，在兩個通信站點之間需要 建立實際的物理連接，其典型實例是兩臺電話之間通過公共電話網(wǎng)絡(luò) 的互連實現(xiàn)通話。 電路交換實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信需經(jīng)過下列三個步驟：首先是建立連接， 即建立端到端（站點到站點）的線路連接；其次是數(shù)據(jù)傳送，所傳輸數(shù)據(jù) 可以是數(shù)字數(shù)據(jù)（如遠程終端到計算機），也可以是模擬數(shù)據(jù)（如聲音）； 最后是拆除連接，通常在數(shù)據(jù)傳送完畢后由兩個站點之一終止連接。 電路交換的優(yōu)點是實時性好，但將電話采用的電路交換技術(shù)用于傳送 計算機或遠程終端的數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)下列問題：①用于建立連接的呼 叫時間大大長于數(shù)據(jù)傳送時間（這是因為在建立連接的過程中，會涉及 一系列硬件開關(guān)動作，時間延遲較長，如某段線路被其他站點占用或 物理斷路，將導(dǎo)致連接失敗，并需重新呼叫）：②通信帶寬不能充分利 用，效率低（這是因為兩個站點之間一旦建立起連接，就獨自占用實際 連通的通信線路，而計算機通信時真正用來傳送數(shù)據(jù)的時間一般不到 10%，甚至可低到1%）:③由于不同計算機和遠程終端的傳輸速率不 同，因此必須采取一些措施才能實現(xiàn)通信，如不直接連通終端和計算 機，而設(shè)置數(shù)據(jù)緩存器等。 二、報文交換（Message Switchi ng） 報文交換（Message Switch ing）是通過通信子網(wǎng)上的結(jié)點采用存儲 轉(zhuǎn)發(fā)的方式來傳輸數(shù)據(jù)，它不需要在兩個站點之間建立一條專用的通 信線路。報文交換中傳輸數(shù)據(jù)的邏輯單元稱為報文，其長度一般不受 限制，可隨數(shù)據(jù)不同而改變。一般它將接收報文站點的地址附加于報 文一起發(fā)出，每個中間結(jié)點接收報文后暫存報文，然后根據(jù)其中的地 址選擇線路再把它傳到下一個結(jié)點，直至到達目的站點。 實現(xiàn)報文交換的結(jié)點通常是一臺計算機，它具有足夠的存儲容量 來緩存所接收的報文。一個報文在每個結(jié)點的延遲時間等于接收報文 的全部位碼所需時間、等待時間，以及傳到下一個結(jié)點的排隊延遲時 間之和。 報文交換的主要優(yōu)點是線路利用率較高，多個報文可以分時共享 結(jié)點間的同一條通道；此外，該系統(tǒng)很容易把一個報文送到多個目的 站點。報文交換的主要缺點是報文傳輸延遲較長(特別是在發(fā)生傳輸錯 誤后)，而且隨報文長度變化，因而不能滿足實時或交互式通信的要求， 不能用于聲音連接，也不適于遠程終端與計算機之間的交互通信。 三、分組交換(Packet Switch in g) 分組交換(Packet Switch in g)的基本思想包括：數(shù)據(jù)分組、路由選 擇與存儲轉(zhuǎn)發(fā)。它類似于報文交換，但它限制每次所傳輸數(shù)據(jù)單位的 長度(典型的最大長度為數(shù)千位)，對于超過規(guī)定長度的數(shù)據(jù)必須分成若 干個等長的小單位，稱為分組(Packets)。從通信站點的角度來看，每 次只能發(fā)送其中一個分組。 各站點將要傳送的大塊數(shù)據(jù)信號分成若干等長而較小的數(shù)據(jù)分組， 然后順序發(fā)送；通信子網(wǎng)中的各個結(jié)點按照一定的算法建立路由表(各 目標站點各自對應(yīng)的下一個應(yīng)發(fā)往的結(jié)點) ，同時負責將收到的分組存 儲于緩存區(qū)中(而不使用速度較慢的外存儲器)，再根據(jù)路由表確定各分 組下一步應(yīng)發(fā)向哪個結(jié)點，在線路空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)；依次類推，直到各 分組傳到目標站點。由于分組交換在各個通信路段上傳送的分組不大， 故只需很短的傳輸時間(通常僅為 ms 數(shù)量級)，傳輸延遲小，故非常適 合遠程終端與計算機之間的交互通信，也有利于多對時分復(fù)用通信線 路；此外由于采取了錯誤檢測措施，故可保證非常高的可靠性；而在 線路誤碼率一定的情況下，小的分組還可減少重新傳輸出錯分組的開 銷；與電路交換相比，分組交換帶給用戶的優(yōu)點則是費用低。根據(jù)通 信子網(wǎng)的不同內(nèi)部機制，分組交換子網(wǎng)又可分為面向連接 (Connect- Oriented) 和無連接(Connectless)兩類。前者要求建立稱為虛電路(Virtual Circuit)的連接，一對主機之間一旦建立虛電路，分組即可按虛電路號 傳輸，而不必給出每個分組的顯式目標站點地址，在傳輸過程中也無 須為之單獨尋址，虛電路在關(guān)閉連接時撤銷。后者不建立連接，數(shù)據(jù) 報(Datagram，即分組)帶有目標站點地址，在傳輸過程中需要為之單 獨尋址。 分組交換的靈活性高，可以根據(jù)需要實現(xiàn)面向連接或無連接的通 信，并能充分利用通信線路，因此現(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)交換網(wǎng)都采用分組 交換技術(shù)。LAN局域網(wǎng)也采用分組交換技術(shù)，但在局域網(wǎng)中，從源站 到目的站只有一條單一的通信線路，因此，不需要公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中的路 由選擇和交換功能。 四 、高 速 分 組 交 換 技 術(shù) (High Speed Packet Switching Technology) 由于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，人們對通信線路帶寬的需求越來越 高，現(xiàn)有的交換技術(shù)，已經(jīng)不能滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，如 交互式的會話對實時性要求很高，延遲要很小；高清晰度電視圖像及 多媒體實時數(shù)據(jù)的傳送都要求高速寬帶的通信網(wǎng)。 1. 幀中繼 幀中繼(Frame Relay)是目前開始流行的一種高速分組技術(shù)。典型 的幀中繼通信系統(tǒng)以幀中繼交換機作為結(jié)點組成高速幀中繼網(wǎng)，再將 各個計算機網(wǎng)絡(luò)通過路由器與幀中繼網(wǎng)絡(luò)中的某一結(jié)點相連；與一般 分組交換在每個結(jié)點均要對組成分組的各個數(shù)據(jù)幀進行檢錯等處理不 同的是：幀中繼交換結(jié)點在接收到一個幀時就轉(zhuǎn)發(fā)該幀，并大大減少 (并不完全取消)接收該幀過程中的檢錯步驟，從而將結(jié)點對幀的處理時 間縮短一個數(shù)量級，因此稱為高速分組交換。當某結(jié)點發(fā)現(xiàn)錯誤則立 即中止該幀的傳輸，并由源站申請重發(fā)該幀。顯然，只有當幀中繼網(wǎng) 絡(luò)中的錯誤率非常低時，幀中繼技術(shù)才是可行的。 幀中繼的幀長是可變的，可按需要分配帶寬，幀中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸 速率可達64Kbps?45Mbps，適用于局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。 2. ATM異步傳輸模式 最有發(fā)展前途的高速分組交換技術(shù)是 ATM 異步傳輸模式 (Asynchronous Transfer Mode)，它是建立在電路交換與分組交換基 礎(chǔ)上的一種新的交換技術(shù)，并由基于光纖網(wǎng)絡(luò)的 B-ISDN 寬帶綜合業(yè) 務(wù)數(shù)字網(wǎng)所采用：用戶主機所在網(wǎng)絡(luò)通過ATM交換結(jié)點再與光纖數(shù)字 網(wǎng)絡(luò)相連。 ATM 異步傳輸模式的主要特點如下： 1) .模式中的分組稱為信元(Cell)，其長度是固定的，由5個字節(jié)首 部和 48 個字節(jié)的信息字組成，因 此在各結(jié)點可采用硬件對信元進行處理，而縮短信元處理時間 2) . 交換設(shè)備可按網(wǎng)絡(luò)最大速度設(shè)置，而不同類型的服務(wù)可復(fù)用在 一起，各通信信道對應(yīng)信元根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小按先到先服務(wù)的原則占 用各分時段，速率高的信源占用較多時段，因而可支持各種業(yè)務(wù)的不 同速率 3) . 保留電路交換以滿足傳輸從語音到高清晰度電視圖像等各種實 時性很強的業(yè)務(wù)需要 利用光纖通信誤碼率低的優(yōu)點將差錯控制由數(shù)據(jù)鏈路層改到高層， 而提高信元在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率。