第二章 数据通信基础 （三）

2.4 数据传输方式

在进行数据传输时，有并行传输和串行传输两种方式

2.4.1 并行传输

并行传输是指二进制的数据流以成组的方式，在多个并行信道上同时传输的方式。

如图2-7所示，计算机的并行端口常用于连接打印机，一个字符分为8位，每次并行传输8比特信号。并行传输的速率高，但传输路线和设备都需要增加若干倍；因此，一般适用于短距离、传输速度要求高的场合。

2.4.2 串行传输

串行传输是指通信信号的数据流以串行方式，一位一位地在信道上传输，因此，从发送端到接收端只需要一条传输路线。在串行传输方式下，虽然，传输速率只有并行传输的几分之一，如，图2-8中所示的1/8.因此，可以 节省大量的传输介质与设备；为此，串行传输方式，大量用于远程传输的场合。

串行传输又有3种不同的方式：即单工通信、半双工通信和全双工通信。

1、单工通信（single-duplex communication 双线制）

在单工通信种，信号在信道种只能从发送端A传送到接收端B。因此，理论上应采用单线制，而实际采用双线制；在实际中，需要用两个通信信道，一个用来传送数据，一个传送控制信号，简称为二线制，如图

2、半双工通信

在半双工通信种，允许数据信号有条件双向传输，但不能同时双向传输。理论上应采用单线制-开关。而实际采用双线制+开关

3、全双工通信

全双工通信种，允许双方同时在两个方向进行数据传输，它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来。因此，理论上应采用双线制，而实际采用四线制，如图2-11.全双工通信效率高，控制简单，但造价高，适用于计算机之间的通信。

需要设置通信方式的设备有网卡、声卡。

2.5 数据传输种的同步技术

同步技术需要解决的主要问题如下：

1. 何时开始发送数据？
2. 发送过程中双方的数据传输速率是否一致？
3. 持续时间的长短是多少？
4. 发送时间间隔的大小是多少？

为了避免接收端与发送端的失步，收端与发端的动作必须采取严格的同步措施。

2.5.1 位同步

实现时钟信号位同步的技术有两种方法：

1、外同步-采用单独的数据线传输时钟信号

在传输的双方，采用单独同步线的方法就被称为外同步。

2、内同步-采用信号编码的方法传输时钟信号

当数据传输距离较远时，为了降低投资，除数据传输线外，不再专门铺设专用的时钟传输路线；而采用在传输数据信号时，同时传递位同步信号的方法，这种方法就是内同步法。这种方法常用在基带局域网的数据传输中。

2.5.2 字符同步

在数据通信的过程中，我们将在同步过程中，采用的协调接收端与发送端收发动作的技术措施称为字符同步技术。

在异步传输和同步传输技术中，分别采用了”起始位/停止位“和”起始同步字符/终止同步字符“两种字符同步方式。

2.5.3 异步传输与同步传输

1、异步传输方式

1）什么是异步传输方式？

​ 在被传送的字符前后加起止位来实现同步传输，这种方式称为异步（也称起止式）传输方式。，异步传输的特点是以一个字符为单位进行数据传输。每个字符及字符前后附加的起始位和停止位共同组成字符数据帧，其中标记数据起止的位就称为成帧信息。

2）异步传输的工作特点

采用异步传输方式发送信息的一端可以在任何时刻向信道发送信息，而不管接收方是否准备好。而接收方在收到起始位后，即可开始接受信息。

各个位以串行方式发送，并附有起止位作为识别符。

字符之间通过空号来分隔。

3）异步传输的优缺点

1. 优点：收发双方不需要严格的位同步，因此，设备简单，技术容易，设备廉价，费用低。
2. 缺点：每传输一个字符，都需要2~3位的附加位（成帧信息），耽误了传输时间，占用了信道的带宽，因此，船速速率低、开销大，效率低。

4）异步传输的应用场合

由于异步传输过程的辅助开销过多，所以传输速率较低，为此，异步传输方式只适用于低速（如10~1500字符/秒）通信的场合。如，适用于分时终端于计算机的通信、低速终端与主机之间的通信和对话等低速数据传输的场合。
2、同步传输方式

1）什么是同步传输方式？

​ 在同步传输过程中，大的数据块是一起发送的，在数据块的前后使用一些特殊的字符作为成帧信息。

2）同步传输的工作特点

由于同步传输是将大的字符快一起发送，因此，接收端和发送端的步调必须保持一致。因而，在同步传输中，不仅字符内部需要位同步来保证每位信号的严格同步；还要采用字符同步技术，以便在收发双方之间保持同步传输。同步传输的工作特点如下：

1. 在同步传输中，信息不是以单个字符而是以数据块的方式传输的。
2. 使用同步字符（字节）传输前，双方需要进行同步测试和准备。
3. 用于同步传输的成帧信息（同步信号）的位数较异步传输方式少，因此，同步传输的效率比异步传输高。
4. 为了实现通信双方的每一位都能够精确对位，在传输的二进制位流中采用位同步（外同步或内同步）技术来保证每位具有严格的时序。位同步技术用来确保接收端能够严格按照发送端发送的每位信息的时间间隔来接受信息，以实现每个字符内部每一位的真正同步传播。

3）同步传输的优缺点

1. 优点：由于同步传输以数据块的方式传输，因此，同步传输的效率比异步传输高，也因此而获得了较高的传输速率。
2. 缺点：由于同步传输以数据块的方式传输，线路效率较高，也因此加重了DCE（数据通信设备）的负担。另外，实现起来较复杂，需要精度较高的时钟装置。为此，同步装置以异步装置要贵得多。例如：同步调制解调器就比异步调制解调器贵得多。

4）同步传输的应用场合

同步传输方式主要用在计算机与计算机之间的通信、智能终端与主机之间的通信，以及网络通信等高速数据通信的场合。

2.6 多路复用技术

2.6.1 多路复用技术概述

1、什么是多路复用技术？

多路复用技术是指在同一传输介质上“同时”传送多路信号的技术。就是指在一条物理线路上，同时建立多条逻辑上的通信信道的技术。

2、多路复用技术的实质和研究目的

1）研究多路复用技术的原因与目的

1. 通信工程中用于通信线路铺设的费用相当高。
2. 无论在局域网还是广域网中，传输介质允许的传输效率（带宽）都超过单一信道需要的速率（带宽）

基于上述主要原因，人们研究多路复用技术的目的就在于充分利用已有传输介质的带宽资源，减少新建项目的投资。

2）多路复用技术的实质与工作原理

多路复用技术的实质就是共享物理信道。组成结构如下图所示

3、多路复用技术的分类

1. 频分多路复用
2. 时分多路复用（静态），又称“同步时分多路复用”
3. 波分多路复用
4. 异步时分多路复用（动态），又称“统计时分多路多路复用”
5. 码分多址
6. 空分复用

2.6.2 频分多路复用

1、工作原理

FDM技术将物理信道按频率划分为多个逻辑上的子信道，每个子信道用来传送一路信号，如下图所示

2、FDM逻辑信道与物理信道

应用FDM技术时，其“物理信道“是指实际复用的真实信道，而逻辑信道是指划分出来的每个子信道。

• 单个信道的带宽：(F_{i}=F_{m}+F_{g})
• 多路复用系统的总带宽：(F=N imes F_{i}=N imes (F_{m}+F_{g}))

其中，(F_{g})为警戒信道带宽，又称保护信道带宽

(F_{m}) 为单个信道的带宽

N为频分多路复用信道的个数。

3、FDM应用条件

FDM的应用条件是单个信号源所需的带宽大大小于物理信道总带宽。

4、FDM的应用特点

所有用户在同一个时刻，占用了不同的频带带宽资源。FDM适用于传输占用带宽较窄的”模拟信号“，而不适合传输占用带宽很宽的基带信号。

2.6.3 时分多路复用

1、工作原理

示例：图2-18中，表示了A、B、C三个信号源。如果每个信号源都要求9.6kb/s的传输速率且要独占物理信道。如果只有一条容量为28.8kb/s的物理信道，那么应如何满足同时传输上述的三路基带信号的要求？

解决方法：先将各路信号各自的传输速率都调整到28.8kb/s。这样，在第一秒的第一个1/3秒的t1内，传输了A信号源的数据量9.6kb；在第二个1/3秒的t2内，传输了B信号源的数据量9.6kb；在最后一个1/3秒的t3内传输了c信号源的数据量9.6kb。接下来，传递A、B、C三个信号源在第2秒的数据……。这就是TDM技术的引用

2、TDM逻辑信道与物理信道

应用TDM技术时，其物理信道是指实际复用的真实信道；而逻辑信道是指从宏观上看的每个子信道。多路输入信号在不同的时隙内轮流、交替地使用物理信道进行传输，如图2-18所示。所有用户在不同的时间内，占用同样的频带宽度，即物理信道的整个带宽。

3、TDM应用条件

TDM的应用条件是单个信号源所需的传输速率远远小于物理信道允许的传输速率。

4、TDM应用特点

TDM是分时使用物理信道。时分多路复用技术更加适用于传输占用信道带宽较宽的数字基带信号，所以TDM技术常用于基带网络中。

2.6.4 波分多路复用技术（WDM）

对于使用光纤通道的网络来说，波分多路复用技术是其适用的多路复用技术。

实际上波分复用就是光的频分复用。WDM所用的技术原理、特点与前面介绍的FDM技术大致相同。WDM技术的工作原理如图2-19所示。

在WDM技术中，是利用光学系统中的衍射光栅，来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。

2.7 广域网中的数据交换技术

在计算机的远程网络或广域网中，节点间的数据转接过程，统称为数据交换，常用的交换技术有3种。

2.7.1线路交换

线路交换又称电路交换，图2-20给出了两台计算机之间通过通信子网，进行线路交换的工作原理。

1、线路交换技术的工作过程

线路交换的工作过程分为：线路建立阶段、数据传输阶段和线路拆除阶段等3个阶段。

2、线路交换技术的应用特点

1）优点

• 传输延迟小
• 线路一旦接通，不会发生冲突
• 可靠性和实时响应能力都很好

2）缺点

• 建立线路所需的时间较长。
• 双方独占线路，信道利用率低。
• 无法发现并纠正传输过程种的错误。
• 很难适应具有不同类型、规格、速率和编码格式的计算机之间的通信

3、线路交换技术的应用场合

线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合；不适合传输突发性、间断型数字信号的计算机与计算机、计算机与终端之间的通信。

2.7.2 存储转发交换

1、存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别

• 拟发送的数据与目的地址、源地址、控制信息等一起组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网。
• 作为通信子网交换节点的专用计算机（通信控制处理机）或路由器等，负责完成数据单元的接收、存储、差错校验、路径选择和转发工作。

2、存储转发交换方式的应用特点

• 多个报文（或报文分组）可以共享通信信道，线路的利用率高。
• 网络节点具有路径选择功能，可以均衡通信量，提高通信效率
• 网络节点具有差错检验和纠错功能
• 可以进行不同数据格式之间的交换

3、存储转发交换方式的分类

利用存储转发交换原理传送数据时，被传送的数据单元可以分为报文和分组两类，对应的交换方式可以分为报文交换和分组交换两类。无论哪种存储转发式交换，其工作原理；都是接收后，先存储；再寻径；最后，沿选择的路径，转发数据单元（报文或分组）