第三章數據通信基礎(二)

作者：張子默

一、數據通信方式

1、通信方向

按數據傳輸的方向數據通信方式可分爲單工通信、半雙工通信和全雙工通信。

單工通信

在單工信道上，信息只能在一個方向上傳送，發送方不能接收，接收方也不能發送。信道的全部帶寬都用於發送方到接收方的數據傳送。無線電廣播和電視廣播都是單工通信的例子。

半雙工通信

在半雙工信道上，通信的雙方可交替發送和接收信息，但不能同時發送和接收。在一段時間內，信道的全部帶寬用於在一個方向上傳送信息，航空和航海無線電臺以及無線對講機都是以這種方式通信的。這種方式要求通信雙方都有發送和接收能力，因而比單工通信設備昂貴，但比全雙工設備便宜。在要求不是很高的場合，多采用這種通信方式，雖然轉換傳送方向會帶來額外的花銷。

全雙工通信

這是一種可同時進行雙向信息傳送的通信方式，例如現代的電話通信就是這樣的。全雙工通信不僅要求通信雙方都有發送和接收設備，而且要求信道能夠提供雙向傳輸的雙倍帶寬，所以全雙工通信設備最昂貴。

2、同步方式

在通信過程中，發送方和接收方必須在時間上保持同步才能準確地傳送信息。前面曾提到過信號編碼的同步作用，這叫碼元同步。另外，在傳送由多個碼元組成的字符以及由許多字符組成的數據塊時，通信雙方也要就信息的起止時間取得一致。這種同步作用有兩種不同的方式，因而對應了兩種不同的傳輸方式。

異步傳輸

異步傳輸即把各個字符分開傳輸，字符之間插入同步信息。這種方式也叫起止式，即在字符的前後分別插入起始位(“0”)和停止位(“1”)，如下圖所示，起始位對接收方的時鐘起置位作用。接收方時鐘置位後只要在8~11位的傳送時間內準確，就能正確接收一個字符。最後的停止位告訴接收方該字符傳送結束，然後接收方就可以檢測後續字符的起始位了。當沒有字符傳送時，連續傳送停止位。

加入校驗位的目的是檢查傳輸中的錯誤,一般使用奇偶校驗。異步傳輸的優點是簡單，但是由於起止位和校驗位的加入會引入20%~30%的開銷，傳輸的速率也不會很高。

同步傳輸

異步傳輸不適合於傳送大的數據塊(例如磁盤文件)，同步傳輸在傳送連續的數據塊時比異步傳輸更有效。按照這種方式，發送方在發送數據之前先發送一串同步字符SYNC，接收方只要檢測到連續兩個以上SYNC字符就確認已進入同步狀態，準備接收信息。隨後的傳送過程中雙方以同一頻率工作(信號編碼的定時作用也表現在這裏)，直到傳送完指示數據結束的控制字符。這種同步方式僅在數據塊的前後加入控制字符SYNC，所以效率更高。在短距離高速數據傳輸中，多采用同步傳輸方式。

二、交換方式

一個通信網絡由許多交換節點互連而成。信息在這樣的網絡中傳輸就像火車在鐵路網絡中運行一樣，經過一系列交換節點(車站)，從一條線路交換到另一條線路，最後才能到達目的地。交換節點轉發信息的方式可分爲電路交換、報文交換和分組交換。

1、電路交換

電路交換方式把發送方和接收方用一系列鏈路直接連通(如下圖所示)。電話交換系統就是採用這樣的交換方式。當交換機收到一個呼叫後就在網絡中尋找一條臨時通路供兩端的用戶通話，這條臨時通路可能要經過若干個交換局的轉接，並且一旦建立連接就成爲這一對用戶之間的臨時專用通路，其他用戶不能打斷，直到通話結束才能拆除連接。

空分交換技術

早期的電路交換機採用空分交換技術。如下圖所表示的是由n條全雙工輸入輸出線路組成的縱橫交換技術，在輸入線路和輸出線路的交叉點處有接觸開關。每個站點分別與一條輸入線路和一條輸出線路相連，只要適當控制這些交叉觸點的通斷，就可以控制任意兩個站點之間的數據交換。這種交換機的開關數量與站點數的平方成正比，成本高，可靠性差，已經被更先進的時分交換技術取代了。

時分交換技術

時分交換是時分多路複用技術在交換機中的應用。下圖爲常見的TDM總線交換，每個站點都通過全雙工線路與交換機相連，當交換機中的某個控制開關接通時該線路獲得一個時槽，線路上的數據被輸出到總線上。在數字總線的另一端按照同樣的方法接收各個時槽上的數據。

電路交換的特點

電路交換的特點是建立連接需要等待較長的時間。由於連接建立後通路是專用的，因而不會有其他用戶的干擾，不再有等待延遲。這種交換方式適合於傳輸大量的數據，傳輸少量信息時效率不高。

2、報文交換

報文交換方式不要求在兩個通信節點之間建立專用通路。節點把要發送的信息組織成一個數據包——報文，該報文中含有目標節點的地址，完整的報文在網絡中一站一站地向前傳送。每一個節點接收整個報文，檢查目標節點地址，然後根據網絡中的“交通情況”在適當的時候轉發到下一個節點。經過多次的存儲——轉發，最後到達目標節點(如下圖所示)，因而這樣的網絡叫做存儲——轉發網絡。其中的交換節點要有足夠大的存儲空間(一般是磁盤)，用於緩衝接收到的長報文。交換節點對各個方向上收到的報文排隊，尋找下一個轉發節點，然後再轉發出去，這些都帶來了排隊等待延遲。

報文交換的特點

報文交換的優點是不建立專用鏈路，線路是共享的，因而利用率較高，這是由通信線路中的等待時延換來的。

3、分組交換

在分組交換方式中數據包有固定的長度，因而交換節點只要在內存中開闢一個小的緩衝區就可以了。在進行分組交換時發送節點先要對傳送的信息分組，對各個分組編號，加上源地址和目標地址以及約定的分組頭信息，這個過程叫做信息的打包。一次通信中的所有分組在網絡中傳播又有兩種方式：數據報(Datagram)和虛電路(Virtual Circuit)。

數據報

數據報類似於報文交換，每個分組在網絡中的傳播路徑完全是由網絡當時的狀況隨即決定的。因爲每個分組都有完整的地址信息，如果不出意外都可以到達目的地。但是到達目的地的順序和發送的順序可能不一致。有些早發的分組可能在中間某段交通擁擠的鏈路上耽擱了，比後發的分組到的遲，目標主機必須對收到的分組重新排序才能恢復原來的信息。一般來說，在發送端要有一個設備對信息進行分組和編號，在接收端也要有一個設備對收到的分組拆去頭、尾並重新排序，具有這些功能的設備叫分組拆裝設備(Packet Assembly and Disassembly device，PAD)，通信雙方各有一個。

虛電路

虛電路類似於電路交換，這種方式要求在發送端和接收端之間建立一條邏輯連接。在會話開始時，發送端先發送建立連接的請求消息，這個請求消息在網絡中傳播，途中的各個交換節點根據當時的交通情況決定取哪條線路來響應這一請求，最後到達目的端。如果目的端給予肯定的回答，則邏輯連接就建立了。以後發送端發出的一系列分組都走這一條通路，直到會話結束拆除連接。與電路交換不同的是，邏輯連接的建立並不意味着其他通信不能使用這條線路，它仍然具有鏈路共享的優點。

按虛電路方式通信，接收方需要對正確收到的分組給予回答確認，通信雙方要進行流量控制和差錯控制，以保證順序正確接收，所以虛電路意味着可靠的通信。當然它涉及更多的技術，需要更大的開銷。也就是說它沒有數據報方式靈活，效率不如數據報方式高。

虛電路分類

虛電路可以是暫時的，即會話開始建立，會話結束拆除，這叫做虛呼叫；也可以是永久的，即通信雙方一開機就自動建立連接，直到一方請求釋放才斷開連接，這叫做永久虛電路。

分組交換的特點

虛電路適合於交互式通信，這是它從電路交換那裏繼承的優點。數據報方式更適合於單向地傳送短消息，採用固定的、短的分組相對於報文交換是一個重要的優點。除了交換節點的存儲緩衝區可以小一些外，也帶來了傳播時延的減小。分組交換網絡也意味着按分組糾錯，發現錯誤只需重發出錯的分組，使通信效率提高。廣域網絡一般都採用分組交換方式，按交換的分組數收費，而不是想電話網那樣按通話時間收費，這當然更適合計算機通信的突發式特點。有些網絡同時提供數據報和虛電路兩種服務，用戶可根據需要選用。

三、多路複用技術

多路複用技術是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術。這種技術要用到兩個設備，其中，多路複用器(Multiplexer)在發送端根據某種約定的規則把多個低帶寬的信號複合成一個高帶寬的信號；多路分配器(Demultiplexer)在接收端根據同一規則把高帶寬信號分解成多個低帶寬信號。多路複用器和多路分配器統稱爲多路器，簡寫爲MUX，如下圖所示。

只要帶寬允許，在已有的高速線路上採用多路複用技術可以直接省去安裝新線路的大筆費用，因而現今的公共交換電話網絡(PSTN)都使用這種技術，有效地利用了高速幹線的通信能力。

相應地，也可以相反地使用多路複用技術，即把一個高帶寬的信號分解到幾個低速線路上同時傳輸，然後在接收端合成爲原來的高帶寬信號。例如，兩個主機可以通過若干條低速線路連接，以滿足主機間高速通信的要求。

1、頻分多路複用

頻分多路複用是在一條傳輸介質上使用多個頻率不同的模擬載波信號進行多路傳輸，這些載波可以進行任何方式的調製，如ASK、FSK、PSK以及它們的組合。每一個載波信號形成了一個子信道，各個子信道的中心頻率不相重合，子信道之間留有一定寬度的隔離頻帶，如下圖所示。

頻分多路技術的應用

頻分多路技術早已用在無線電廣播系統中，在有線電視系統(CATV)中也使用頻分多路技術。一根CATV電纜的帶寬大約是1000MHz，可傳送多個頻道的電視節目，每個頻道6.5MHz的帶寬中又劃分爲聲音子通道、視頻子通道以及色彩子通道。每個頻帶兩邊都留有一定的警戒頻帶，防止相互串擾。

小貼士：
FDM也用在寬帶局域網中。電纜帶寬至少要劃分爲不同方向上的兩個子頻帶，甚至還可以分出一定帶寬用於某些工作站之間的專用連接。

2、時分多路複用

時分多路複用(Time Division Multiplexing，TDM)要求各個子通道按時間片輪流地佔用整個帶寬(如下圖所示)。時間片的大小可以按一次傳送一位、一個字節或一個固定大小的數據塊所需要的時間來確定。

時分多路技術的用途

時分多路技術可以用在寬帶系統中，也可以用在頻分制下的某個子通道上。

時分多路技術分類

時分制按照子通道的動態利用情況又可分爲兩種：同步時分和統計時分。

同步時分

在同步時分制下，整個傳輸時間被劃分爲固定大小的週期。每個週期內各子通道都在固定位置佔有一個時槽。這樣在接收端可以按約定的時間關係恢復各子通道的信息流。當某個子通道的時槽來到時，如果沒有信息要傳送，這一部分帶寬就浪費了。

統計時分

統計時分制是對同步時分制的改進，特別把統計時分制下的多路複用器稱爲集中器，以強調它的工作特點。在發送端，集中器依次循環掃描各個子通道。若某個子通道有信息要發送則爲它分配一個時槽，若沒有就跳過，這樣就沒有空槽在線路上傳播了。然而需要在每個時槽加入一個控制字段，以便接收端可以確定該時槽是屬於哪個子通道的。

3、波分多路複用

波分多路複用(Wave Division Multiplexing，WDM)使用在光纖通信中，不同的子信道用不同波長的光波承載，多路複用信道同時傳送所有子信道的波長。這種技術在網絡中要使用能夠對光波進行分解和合成的多路器，如下圖所示。

四、數字傳輸標準

1、貝爾系統的T₁載波

貝爾系統的T₁載波是在美國和日本使用很廣的一種通信標準，如下圖所示。

貝爾系統的T₁載波的原理

T₁載波也叫一次羣，它把24路話音信道按時分多路的原理複合在一條1.544Mbps的高速信道上。該系統的工作是這樣的，用一個編碼解碼器輪流對24路話音信道取樣、量化和編碼，將一個取樣週期中(125us)得到的7位一組的數字合成一串，共7x24位長。這樣的數字串在送入高速信道前要在每一個7位的後面插入一個信令位，於是變成了8x24=192位長的數字串。這192位數字組成一幀，最後再加入一個幀同步位，故幀長爲193位。每125us傳送一幀，其中包含了各路話音信道的一組數字，還包含了總共24位的控制信息以及1位幀同步信息。這樣，不難算出T₁載波的各項比特率。對每一路話音信道來說，傳輸數據的比特率爲7b/125us=56Kbps，傳輸控制信息的比特率爲1b/125us=8Kbps，總的比特率爲193b/125us=1.544Mbps。

T₁載波的多路複用

T₁載波可以多路複用到更高級的載波上，如下圖所示。4個1.544Mbps的T₁信道結合成1個6.312Mbps的T₂信道，多增加的位(6.312-4x1.544=0.136)是爲了組幀和差錯恢復。與此類似，7個T₂信道組合成1個T₃信道，6個T₃信道組合成1個T₄信道。

2、ITU-T的E1載波

E1載波在除了北美和亞洲的日本外其他地區得到了廣泛的使用。

E1載波的工作原理

ITU-T的E1信道的數據速率是2.048Mbps(如下圖所示)。這種載波把32個8位一組的數據樣本組合成125us的基本幀，其中30個子信道用於話音傳送數據，兩個子信道(CH0和CH16)用於傳送控制信令，每4幀能夠提供64個控制位。

E1載波的多路複用

按照ITU-T的多路複用標準，E2載波由4個E1載波組成，數據速率位8.448Mbps。E3載波由4個E2載波組成，數據速率爲34.368Mbps。E4載波由4個E3載波組成，數據速率爲139.264Mbps。E5載波由4個E4載波組成，數據速率爲565.148Mbps。

五、同步數字系列

光纖線路的多路複用標準有兩個，美國標準叫做同步光纖網絡(Synchronous Optical Network，SONET)；ITU-T以SONET爲基礎制定出的國際標準叫做同步數字系列(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)。SHD的基本速率是155.52Mbps，稱爲第1級同步傳遞模塊(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相當於SONET體系中的OC-3速率，如下表所示。

絡(Synchronous Optical Network，SONET)；ITU-T以SONET爲基礎制定出的國際標準叫做同步數字系列(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)。SHD的基本速率是155.52Mbps，稱爲第1級同步傳遞模塊(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相當於SONET體系中的OC-3速率，如下表所示。

六、差錯控制

無論通信系統如何可靠都做不到完美無缺，所以必須考慮怎樣發現和糾正信號傳輸中的差錯。

1、差錯分類

通信過程中出現的差錯大致分爲兩類：由熱噪聲引起的隨機錯誤和由衝擊噪聲引起的突發錯誤。

隨機錯誤

通信線路中的熱噪聲是由電子的熱運動產生的，香農關於噪聲信道傳輸速率的結論就是針對這種噪聲的。熱噪聲時刻存在，具有很寬的頻譜，且幅度較小。通信線路的信噪比越高，熱噪聲引起的差錯越少。這種差錯具有隨機性，影響個別位。

衝擊噪聲

衝擊噪聲源是外界的電磁干擾，例如打雷閃電時產生的電磁干擾，電焊機引起的電壓波動等。衝擊噪聲持續的時間短而幅度大，往往引起一個位串出錯。根據它的特點稱其爲突發性差錯。

其他具有突發性特點的差錯

此外，由於信號幅度和傳播速率與相位、頻率有關而引起的信號失真，以及相鄰線路之間發生串音等都會產生差錯，這些差錯也具有突發性的特點。

2、差錯的影響及控制

突發性差錯影響局部，而隨機性差錯總是斷續的存在，影響全局。所以要儘量提高通信設備的信噪比，以滿足要求的差錯率。此外，要進一步提高傳輸質量，就需要採用有效的差錯控制辦法。

3、檢錯碼

奇偶校驗是最常用的檢錯方法。使用校驗和的方法可以檢測突發性位串出錯。

奇偶校驗的原理

在7位的ASCII代碼後增加一位，使碼字中的1的個數成奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。經過傳輸後，如果其中一位(甚至奇數個位)出錯，則接收端按同樣的規則就能發現錯誤。這種方法簡單實用，但只能對付少量的隨機性錯誤。

校驗和的原理

校驗和的方法把數據塊中的每個字節當做一個二進制整數，在發送過程中按模256相加。數據塊發送完後，把得到的和作爲校驗字節發送出去。接收端在接收過程中進行同樣的加法，數據塊加完後用自己得到的校驗和與接收到的校驗和比較，從而發現是否出錯。在實現的時候可以使用更簡單的辦法，例如在校驗字節發送前，對累加器中的數取2的補碼。這樣，如果不出錯，接收端在加完整個數據塊以及校驗和後累加器中是0。這種方法的好處是由於進位的關係，一個錯誤可以影響到更高的位，從而使出錯位對校驗字節的影響擴大。可以粗略地認爲，隨機的突發性錯誤對校驗和的影響也是隨機的。出現突發錯誤而得到正確的校驗字節的概率是1/256，於是就有255:1的機會能檢查出任何錯誤。

2、海明碼

海明碼是用冗餘數據位來檢測和糾正代碼差錯的理論和方法。按海明的理論，可以在數據代碼上添加若干冗餘位組成碼字。

海明距離

碼字之間的海明距離是一個碼字要變成另一個碼字時必須改變的最小位數。

海明碼差錯控制公式：m+k+1<2^k

上述公式中，m代表給定的數據位的位數，k爲冗餘位的位數。

3、循環冗餘校驗碼

循環碼其中任一有效碼經過循環移位後得到的碼字仍然是有效碼字，不論是左移還是右移，也不論移多少位。例如(a_n-1a_n-2···a₁a₀)是有效碼字，則(a_n-2a_n-3···a₀a_n-1)，(a_n3a_n-4···a_n-1a_n-2)等都是有效碼字。冗餘循環碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)是一種循環碼，它有很強的檢錯能力，而且容易用硬件實現，在局域網中有廣泛應用。

CRC校驗碼計算

**計算CRC校驗碼：**多項式除法，不進位加法。

除數即多項式G(X)中X各次冪的係數
- G(X)=X⁴+X+1= 1X⁴ + 0X³ + 0X² + 1X¹ + 1X⁰
- 由上式可得除數爲10011
被除數即信息碼字並在後面填補G(X)中X最高冪次個0
- 信息碼字爲10111，G(X)最高冪次爲4，所以被除數爲101110000

03_數據通信基礎(二)

第三章 數據通信基礎(二)