数据通信原理

通信系统的基本组成

通信三要素：

  • 信源：信息的发送者，是发出各种信息（文字、图片或者数据）的信息源
  • 信宿：信息的接受者
  • 载体：传送信息的媒体（信道）

    噪声的存在对通信产生不利影响

通信系统的基本组成

  • 变换器：将信源发出的信息变为载体上看传输的格式
  • 反变换器：将载体上传输的信息变换成信宿可识别格式

信道：信息可以单向传输的途径

  • 按传输类型分类：

    • 有线信道
    • 无线信道

  • 按传输方式分类：

    • 模拟信道
    • 数字信道

  • 信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围

  • 信道容量：信道在单位时间内可以传输的最大信号量

  • 数据传输速率（bps）：信道在单位时间内可以传输的最大比特数。

  • 差错率、误码率：出错/总数、与传输距离成正比

    由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能发生失真

  • 调制/解调：利用模拟信道支持数据信息传输的技术

    • 调制：将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波信号（数字->模拟）
    • 解调：将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息（模拟->数字）
    • 调制解调器：具有调制、解调功能的通信设备
    • 调制方法
      • 调制依据：模拟信号的三要素（振幅、振频、相位）
      • 调幅（幅度调制或者移幅键控法 ASK）：将不同的数据信息调制成不同幅度但频率相同的信号。
      • 调频（FSK）：将不同的数据信息调制成幅度相同但不同频率的信号。
      • 调相（PSK）：利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值。
      • 组合调制
    • 调制速率（波特率）
      • 波特率：指调制设备每秒可以调制的符号个数，即信道上每秒传输的符号个数。
      • 数据传输速率：信道在单位时间内可以传输的最大比特数。

  • 编码/解码：实现模拟信息和数字信息之间的转换

    • 编码 code：模拟信息转换为数字信号的过程

    • 解码 decode：将数字信号转换为模拟信号

    • 字符编码：利用 0 和 1 比特的特定组合来表示字符：

      • BCD码、EBCDIC码、IA5码、ASCII码等

      • 图形字符：数字、字母、运算符号、语句符号等

      • 控制字符：传输控制、格式控制、信息分隔符等

        • 传输控制符：
        名称 内容
        SOH 标题开始
        STX 正文开始
        EOT 传输结束
        ACK 确认
        DLE 数据转义
        ETX 正文结束
        ENQ 询问
        NAK 否认
        SYN 同步
        • 格式控制符：
        名称 内容
        BS 退格
        LF 换行
        CR 回车
        • 信息分割符：
        名称 内容
        US 单元分隔
        RS 记录分隔
        GS 组分隔
        FS 文卷分隔

    • 通信编码：通过特定的电平信号来表示 0、1 比特值，并通过计算机或者其他通信设备的输入输出端口传输。

      • RS-232 编码：利用不同的电平信号表示不同的二进制信息。
      • 不归 0 交替编码（NRZI）：根据相邻比特的电平变化状态确定，比特间隔发生变化表示 1，不变化表示 0。

        RS-232 编码和 NZRI 编码的特点：编码中不含同步信息，发送/接收设备的时钟略有差异的时候，可能造成误差累积，造成取样脉冲的偏移，从而出现场差错。

      • 曼彻斯特编码：一个比特时间一分为二，比特时间内发生低电平到高电平转化称为 1，高电平到低电平的变化称为 0。

        编码中含有同步信息（每个比特中部的电平跃变信号），接收方可以根据该同步信息及时调整接收脉冲的产生，可以支持较大数据块的传输。要求发送/接受设备支持较高频率的发/收脉冲。

      • 差分曼彻斯特编码：一个比特时间一分为二，比特时间的中部发生电平变化，表示的值依赖于前一个比特的最终电平状态。

        当前比特的前半部分不同于前一比特的最终电平状态，表示0；当前比特的前半部分相同于前一比特的最终电平状态，表示1。

      • 4b / 5b 码
        采用 5 位（5b）的符号表示 4 位的（4b）的信息数据，主要使用 NRZI 的方式。

    • 传输方式

      • 并行传输：字符编码的各个比特同时传输

        传输速度快，通信成本高，远距离传输时可靠性低

      • 串行传输：将组成字符的各个比特串行地发往线路

        传输速度慢，通信成本低

      • 同步传输：以多个字符或者多个比特组合组成的数据块为单位进行传输
        1. 发送：同步信号 + 数据库 + 同步符号
        2. 接收：遇到同步信号，开始接收数据，直到遇到下一个同步符号
      • 异步传输：字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传输，字符之前间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。传输效率较低。

  • 同步技术：接收方如何在时间上与发送方保持同步，以便能正确的识别和接受发送方传来的信息

    • 位同步：使接收方可以正确的接收各个比特
      • 自同步法：接收方直接从数据波中获取同步信号。
      • 外同步法：发送方在发数据前，先向接收方发送一串同步时钟序列，接收方根据这一同步时钟序列锁定接收频率。
    • 字符同步：使接收方可以正确的识别数据群
      • 同步传输时的同步字符（SYN）, 接收方在识别到独特的同步字符后才开始真正的数据接收。

  • 传输形式：

    • 单工传输：任意时候都只允许一个方向的数据传输
    • 半双工传输：可以交替改变数据传输方向，但在任意特定时刻只能一个方向传输（一个信道）
    • 全双工传输：任意时刻都可以进行双向信息传递

  • 传输差错处理：

    • 反馈重传法：
      1. 发送方向接收方发送一串有检查错误能力的代码
      2. 接收方根据代码的编码规则，验证接收到的数据代码，并将结果反馈给发送方
      3. 发送方根据反馈结果决定是否需要重传。
      4. 规定时间内如果没有收到反馈结果（Timeout），发送方会默认认为发生错误，执行重传操作。
    • 停-等协议
      1. 发送一块数据后就停止发送操作，开始计时，等待接收方的反馈结果
      2. 仅当收到正确的确认信息后（Ack），才继续发送后继数据块
      3. 如果接到否定确认或者超时信息（NAK），重新传输本数据块
        收发双方以半双工的方式进行工作，控制简单，易于实现，但工作效率低
    • 滑动窗口协议
      1. 发送方可一次性连续发送多块数据
      2. 接收方对每块数据块进行差错分析，如果发现错误立即反馈给发送方
      3. 接收方可对接收到的多个正确数据块进行一次性确认
      4. 发送方根据反馈结果，重发指定数据块，重发指定数据块之后的所有数据块
        效率高，控制负责，全双工方式

  • 常见校验码

    • 奇偶校验码
    • 正反码
    • CRC 校验码

  • 传输控制规程

    • 目的：协调通信双方的动作，保证数据信息传输的正确性。
    • 面向字符型的传输控制规程
    • 二进制同步通信规程
      • BSC 通信双方交换的信息序列类型
        • 控制序列：确认（ACK）、否认（NAK）、询问（ENQ）、拆链（EOT）
      • BSC 工作过程
        • 建立链路、数据传输、拆除链路
      • BSC 特点
        • 半双工的停-等协议、超时重发：效率低
        • 数据块和控制序列格式不统一：引起二义性
        • 控制序列的差错校验能力进依赖控制字符本身的字符
        • 采用奇偶校验，可靠性较低
        • 仅需要少量缓存，规程简单易实现
    • HDLC 窗口机制：提高效率的保证
      • 过程：建立链路、传输信息帧、拆除链路

  • 线路交换：静态分配资源

  • 报文交换：存储 - 转发

  • 分组交换：分组长度的选择

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