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学习目标
● 理解数据通信的概念；
● 掌握数据通信的原理（重点）；
● 理解数据通信的交换方式（难点）；
● 掌握数据通信的工作方式；
● 熟悉数据通信方式的分类及特点（重点）；
● 熟悉数据通信网络常用传输介质的种类和特性（重点）；
● 理解数据通信的基本传输方式。
关键词
数据通信 交换方式 传输介质 传输方式
1.数据通信
数据是指以任何形式表示的信息。数据可以是连续的模拟数据，如声音和图像；也可以是离散的数据，如符号和文字。在计算机系统中，数据以二进制数表示。数据的格式需由创建和使用数据的双方达成共识。因此，数据的表示有文本、数字、图像、音频和视频等多种形式。
数据通信是指设备之间通过传输介质进行数据交换的过程。
数据通信正在改变企业的商务活动和人们的生活方式。商务活动依赖于计算机和网络互连，在更快连接到网络之前，需要知道网络是如何运转的、网络使用了哪些类型的技术，以及何种网络设计最能够满足实际应用的需求。
远程实体之间的数据通信可以通过连网完成。该过程包括计算机、传输介质和网络设备之间的连接。网络可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、个域网（PAN）和无线网络等五类。Internet是由网络互连设备连接起来的LAN和WAN的集合。通信时会共享信息，这种共享可以是本地的，也可以是远程的。本地通信是面对面发生的，远程通信发生在一定的距离之间。电信（Telecommunication）包括电话通信、电报通信和电视通信，它们都是在一定距离之间的通信，这种共享信息的方式就是远程的。
2.数据通信系统
在数据通信的过程中，由软件程序和硬件物理设备结合组成的通信设备就成了通信系统的一部分。数据通信系统的效率取决于传递性、准确性、及时性和抖动性4个关键因素。
传递性：系统要将数据传送到正确的目的地，使数据由预定的设备或用户接收。
准确性：系统必须准确地传递数据，传递过程中发生改变的和错误的数据均不可用。
及时性：系统必须及时地传递数据，传递延误的数据是不可用的。例如，视频和音频数据在数据产生时就即时传递，所传递数据的顺序和产生的顺序是相同的，没有明显的延迟。这种传递称为实时传输。
抖动性：分组到达时间的变化，音频和视频的分组在传递过程中的延迟各不相同。如每30ms发送一个视频的分组，其中某些分组可能延迟30ms，而另一些分组可能延迟40ms，引起视频卡顿。
3.常用术语
数据通信基本概念中的常用术语如下。
（1）数据（Data）：传输（携带）信息的实体。
（2）信息（Information）：数据的内容或解释。
（3）信号（Signal）：是信息的载体，数据以信号的形式传播。
（4）模拟信号：信号的某一个或某几个参数是连续的，包含无穷多个信号值。
（5）数字信号：时间上离散，幅值上离散，仅包含有限数目的信号值。
（6）周期信号：每隔一个固定的时间间隔重复变化的信号（如正弦波）。
（7）非周期信号：没有固定的循环模式和波形的信号（如语音的音波信号）。
（8）信道（Channel）：传输信息的通道（或通路）。
（9）数字信道：以数字脉冲（离散信号）形式传输数据的信道。
（10）模拟信道：以模拟信号形式传输数据的信道。
（11）比特（bit）：信息量的单位。比特率为每秒传输二进制位的个数。
（12）码元（Code Cell）：时间轴上的一个信号编码单元。
（13）同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始。同步脉冲可位于码元的中部，一个码元可与多个同步脉冲相对应。
（14）波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率是每秒传送的码元数（即数据传输速率）。1 Baud = log 2 M （bit/s），其中， M 是信号的编码级数。也可以写成 R bit = R Baud log 2 M ，式中， R bit 为比特率， R Baud 为波特率。
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，就是一个码元中可以传送多个比特。例如， M =16，波特率为9600Baud时，数据传输速率为38.4kbit/s。
（15）误码率：信道传输的可靠性指标，是概率值。
（16）信息编码：将信息用二进制数表示。
（17）数据编码：将数据用物理量表示。例如，字符A的ASCII值为01000001。
（18）带宽：带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之差，是衡量介质传输能力的参数，传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）作为计量单位。计算机网络中一般使用位数每秒（bit/s）作为带宽的计量单位，主要包括kbit/s、Mbit/s、Gbit/s。一个以太局域网理论上每秒可以传输1×10 7 bit的数据，它的带宽相应为10Mbit/s。
（19）时延：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。
一个完整的数据通信系统由报文（Message）、发送方（Sender）、接收方（Receiver）、传输介质（Transmission Medium）和协议（Protocol）5个部分组成，如图1-1所示。
图1-1 数据通信系统的组成部分
（1）报文是进行通信的信息（数据），可以是文本、数字、图片、声音、视频等形式。
（2）发送方是指发送报文的设备，可以是计算机、工作站、手机、摄像机等。
（3）接收方是指接收报文的设备，可以是计算机、工作站、手机、电视等。
（4）传输介质是报文从发送方传送到接收方所经过的物理通路，可以是双绞线、同轴电缆、光纤和无线电波等。
（5）协议是数据通信的规则，表示通信设备之间的约定。如果没有协议，即使两台设备在物理上是联通的，也不能实现相互通信。
比较典型的数据通信系统硬件主要包括数据终端设备、数据电路、计算机系统3部分，如图1-2所示。
图1-2 数据通信系统硬件
在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备（Data Terminal Equipment, DTE）。DTE可能是大、中、小型计算机，也可能是一台只接收数据的打印机，所以DTE属于用户范畴，其种类繁多，功能差别较大。从计算机和计算机通信系统的观点来看，终端是输入输出的工具；从数据通信网络的观点来看，计算机、交换机、路由器等都称为网络的数据终端设备，简称终端。
用来连接 DTE 与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备（Data Circuit-Terminating Equipment,DCE）。该设备为用户设备提供入网的连接点，其功能就是完成数据信号的转换。因为传输信道可能是模拟的，也可能是数字的，DTE发出的数据信号有可能不适合信道传输，所以要把数据信号转换成适合信道传输的信号。
数据电路由传输信道和 DCE 组成。如果传输信道为模拟信道，DCE 通常就是调制解调器，它的作用是进行模拟信号和数字信号的转换；如果传输信道为数字信道，DCE的作用是实现信号编码与电平的转换，以及线路接续控制等。传输信道除有模拟和数字的之分外，还有有线信道与无线信道、专用线路与交换网线路之分。
数据链路是在数据电路已建立的基础上，通过发送方和接收方交换“握手”信号，双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。
通常，数据通信系统中数据的交换方式有以下3种。
1.电路交换
电路交换是指两台计算机或终端在相互通信时使用同一条实际的物理链路。通信中自始至终使用该链路进行信息传输，且不允许其他计算机或终端同时共享该链路。
2.报文交换
报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器（内存或外存）中，当所需输出链路空闲时，再将该报文发往接收方的交换机或终端。这种存储转发的方式可以提高中继线和链路的利用率。
3.分组交换
分组交换是将用户发来的整份报文分割成若干个定长的数据块（称为分组或打包），将这些数据块以存储转发的方式在网内传输。每一个数据块都含有接收地址和发送地址的标识。在分组交换网中，不同用户的数据块均采用动态复用的技术传送，即网络可进行路由选择，同一条路由可以传送不同用户的分组数据，所以线路利用率较高。
按照数据在线路上的传输方向，数据通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信与全双工通信。
在单工通信中，通信是单方向的，两台设备中只有一台能够发送数据，另一台只能接收数据。键盘和显示器都是单工通信设备。键盘只能用来输入，显示器只能接收数据并输出，单工通信如图1-3所示。
图1-3 单工通信
在半双工通信中，每台设备都能发送和接收数据，但不能同时进行。当其中一台设备发送数据时，另一台设备只能接收数据，半双工通信如图1-4所示。
图1-4 半双工通信
在全双工通信中，通信双方能同时接收和发送数据，全双工通信如图1-5所示。
图1-5 全双工通信
1.数字数据网
数字数据网（Digital Data Network,DDN）由用户环路、DDN节点、数字信道和网络控制管理中心组成，是利用光纤或数字微波、卫星等数字信道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网。也可以说，DDN是把数据通信技术、数字通信技术、光纤通信技术及数字交叉连接技术结合在一起的数据通信网络。数字信道应包括用户到网络的连接线路，即用户环路的传输也应该是数字模式的，但实际上也有普通电缆和双绞线，不过传输质量不如前者。DDN的主要特点如下。
（1）传输质量高，误码率低，对传输信道的误码率要求低。
（2）信道利用率高。
（3）要求全网的时钟系统保持同步，才能保证DDN电路的传输质量。
（4）DDN的租用专线业务的传输速率可分为2.4～19.2kbit/s、 N ×64kbit/s（ N =1～32）；用户入网速率最高不超过2Mbit/s。
（5）DDN时延较小。
2.分组交换网
分组交换网（Packet Switched Network）是以CCITT X.25建议为基础的，所以又称为X.25网。它采用存储转发方式，将用户送来的报文分成具有一定长度的数据段，并在每个数据段上加上控制信息，构成一个带有地址的分组组合群体在网上传输。
分组交换网最突出的优点之一是在一条电路上可同时开放多条虚通路，为多个用户同时使用，网络具有动态路由选择功能和先进的误码检测功能，但网络性能较差。
3.帧中继网
帧中继网通常由帧中继存取设备、帧中继交换设备和公共帧中继服务网3部分组成。帧中继网是从分组交换技术发展起来的，采用帧中继技术，把不同长度的用户数据组封装在较大的帧中继帧内，加上寻址和控制信息后在网上传输。其功能特点如下。
（1）使用统计复用技术，按需分配带宽，向用户提供共享的网络资源，每一条线路和网络端口都可由多个终端按信息流共享，可大大提高网络资源的利用率。
（2）采用虚电路技术，只有当用户准备好数据时，才把所需的带宽分配给指定的虚电路，而且带宽在网络里按照分组动态分配，因而适用于突发性业务。
（3）帧中继网只使用物理层和链路层的一部分来执行其交换功能，D信道将用户信息和控制信息分离，实施以帧为单位的信息传送，可简化中间节点的处理。
（4）采用可靠的ISDN D信道的链路层协议，将流量控制、纠错等功能留给智能终端去完成，从而大大简化处理过程、提高效率。
（5）传输线路质量要求很高，其误码率应小于10 -8 。
帧中继网通常的帧长度比分组交换网长，为1024～4096字节/帧，因而其吞吐量非常高，其所提供的速率为2.048Mbit/s。用户速率一般为9.6kbit/s、14.4kbit/s、19.2kbit/s、 N ×64kbit/s（ N =1～31）及2Mbit/s。
帧中继网没有采用存储转发方式，因而具有与快速分组交换网相同的一些优点，时延小于15ms。
无线数据通信也称移动数据通信，它是在有线数据通信的基础上发展起来的。有线数据通信依赖于有线传输，因此只适用于固定终端与计算机之间或计算机与计算机之间的通信。而无线数据通信是通过无线电波来传送数据的，可以实现移动状态下的通信。狭义地说，无线数据通信就是数据通过无线电波与有线数据通信网络互连，把有线数据通信网络的应用扩展到移动和便携设备上。
传输介质是通信网络中发送方和接收方之间连接的物理通路。通信网络采用的传输介质可分为有线和无线两大类，双绞线、同轴电缆和光纤是常用的3种有线传输介质；无线电波、微波、红外线及激光等信息载体都属于无线传输介质。
1.双绞线
双绞线由呈螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，是常用的传输介质，可用于电话通信中的模拟信号的传输，也可用于数字信号的传输。导线扭在一起可以减少相互之间的电磁干扰。双绞线的特性如下。
物理特性：双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的导电率。
传输特性：双绞线既可以用于传输模拟信号，也可以用于传输数字信号。使用双绞线传输数字信号的总数据传输速率可达1.544Mbit/s，达到更高数据传输速率也是有可能的，但与距离有关。双绞线也可用于局域网，如10BASE-T和100BASE-T总线可分别提供10Mbit/s和100Mbit/s的数据传输速率。通常将多对双绞线封装于一个绝缘套里来组成双绞线电缆，局域网中常用的三类双绞线电缆和五类双绞线电缆均由4对双绞线组成，其中三类双绞线电缆通常用于10BASE-T总线局域网，五类双绞线电缆通常用于100BASE-T总线局域网。
连通性：双绞线普遍用于点到点的连接，也可以用于点到多点的连接。用作多点介质时，双绞线比同轴电缆的价格低，但性能较差，而且只能支持很少的几个基站。
地理范围：使用双绞线可以很容易地在15km 或更远的距离内进行数据传输。局域网的双绞线主要用于一个建筑物内或几个建筑物间的通信，10BASE-T和100BASE-T总线的传输距离均不超过100m。
抗干扰性：在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但在高频传输时，同轴电缆的抗干扰性比双绞线的明显优越。
2.同轴电缆
同轴电缆也像双绞线一样由两根导线组成，但它们是按“同轴”形式构成线对的，最里层是内芯，向外依次为绝缘层、屏蔽层，最外层是起保护作用的塑料外套。内芯和屏蔽层构成一对导体。同轴电缆分为基带同轴电缆（阻抗为500Ω）和宽带同轴电缆（阻抗为750Ω）。基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号；宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输，也可用于不使用频分多路复用的高速数字信号和模拟信号传输。例如，闭路电视所使用的 CATV（Cable Television，有线电视）电缆就是宽带同轴电缆。同轴电缆的特性如下。
物理特性：单根同轴电缆的直径为1.02～2.54cm，可在较宽的频率范围内工作。
传输特性：基带同轴电缆仅用于数字传输，并使用曼彻斯特编码，数据传输速率最高可达10Mbit/s。一般在CATV电缆上，每个电视频道分配6MB的带宽，每个广播频道需要的带宽要窄得多，因此在同轴电缆上使用频分多路复用技术可以支持大量的视、音频通道。
连通性：同轴电缆适用于点到点和多点连接。基带同轴电缆每段可支持几百台设备，在大系统中还可以用转接器将各段连接起来；宽带同轴电缆可以支持数千台设备，但在高数据传输速率下使用宽带同轴电缆时，设备数目一般为20～30。
地理范围：同轴电缆的传输距离取决于传输的信号形式和传输速率，典型基带同轴电缆的最大传输距离为几千米，在同样的数据传输速率条件下，粗缆的传输距离较细缆长；宽带同轴电缆的传输距离可达几十千米。
抗干扰性：同轴电缆的抗干扰性能总体比双绞线的强。
3.光纤
光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的石英玻璃纤维及保护层构成。相对金属导线来说光纤具有重量轻、线径细的特点。用光纤传输电信号时，要先在发送端将其转换成光信号，而在接收端由光检测器将光信号还原成电信号。光纤的特性如下。
物理特性：通信网络均采用两根光纤（一来一去）组成传输系统。按波长范围（近红外范围内）光纤可分为0.85µm波长区（0.8～0.9µm）、1.3µm波长区（1.25～1.35µm）和1.55µm波长区（1.53～1.58µm）3种。不同波长范围的光纤损耗特性也不同，其中，0.85µm 波长区为多模光纤通信方式，1.55µm波长区为单模光纤通信方式，1.3µm波长区有多模光纤通信和单模光纤通信两种方式。
传输特性：光纤通过内部形成全反射来传输一束经过编码的光信号。实际上，光纤的频率范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤的数据传输速率可达Gbit/s级，传输距离可达数十千米。
连通性：光纤普遍用于点到点的链路。从原则上讲，由于光纤功率损失小、衰减少且有较大的带宽潜力，因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆的多得多。
地理范围：从目前的技术来看，由于可以在6～8km 的距离内不用中继器传输，因此光纤适合在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网。
抗干扰性：不受电磁干扰，不受噪声影响，适宜在长距离内保持高数据传输速率，而且能够提供很好的安全性。
由于光纤通信具有损耗低、频带宽、数据传输速率高、抗电磁干扰好等特点，对高速率、距离较远的局域网也是很适用的。目前采用一种波分技术，可以在一条光纤上复用多路传输，每路使用不同的波长，即波分复用（Wavelength Division Multiplexing,WDM）技术。
无线传输信号在空间传输，不需要架设/敷埋电缆/光纤，常用的无线传输介质有无线电波、微波、红外线和激光。便携式计算机的出现，以及在野外等特殊场合下对移动通信的需求，促进了数字无线移动通信的发展，现在已出现无线局域网产品。
微波通信的载波频率范围为2～40GHz。其频率很高，可同时传送大量信息。一个带宽为2MHz的频段可容纳500条语音线路，如传输数字数据，数据传输速率可达Mbit/s级。与通常的无线电波不同，微波是沿直线传播的。地球表面是曲面，微波在地面的直接传播距离有限；并且其直接传播距离与天线的高度有关，天线越高，传播距离越远，超过一定距离后就要用中继站来接力。
红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，红外线、激光和微波都是沿直线传播的。这3种传播方式都需要在发送方和接收方之间有一条视线（Line Of Sight,LOS）通路，故它们统称为视线介质。不同的是，红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，然后直接在空间传播。这3种视线介质都不需要敷设电缆，对于连接不同建筑物内的局域网特别有用。这3种视线介质对环境气候较为敏感，如雨、雾和雷电。相对来说，微波在雨和雾的天气条件下敏感度较低。
卫星通信是微波通信中的特殊形式，它利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号。卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，一个同步卫星可以覆盖地球1/3以上的表面，3个这样的卫星就可以覆盖地球上的全部通信区域，这样，地球上的各个地面站之间都可互相通信。卫星信道也可采用频分多路复用技术分为若干子信道，有些由地面站向卫星发送数据（称为上行信道），有些由卫星向地面站转发数据（称为下行信道）。卫星通信的优点是容量大，传输距离远；缺点是传播延迟时间长，对数万千米高度的卫星来说，以200m/μs的传播速率来计算，数据从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间为数百毫秒，这相对于地面电缆的传播延迟时间相差了几个数量级。
传输介质的选择取决于网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求和相关方能承受的价格范围。
双绞线的显著特点是价格便宜，但与同轴电缆相比，其带宽受到限制。对单个建筑物内低通信容量的局域网来说，双绞线的性价比可能是最高的。
同轴电缆的价格要比双绞线的贵一些，对大多数局域网来说，需要连接较多设备，通信容量相对大时可以选择同轴电缆。
光纤作为传输介质，与同轴电缆和双绞线相比具有一系列优点，如频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小，能电磁隔离及误码率低等。因此，其在国际和国内长途电话传输中的地位较高，并已广泛用于高速数据通信网。随着光纤通信技术的发展和成本的降低，光纤作为局域网的传输介质也得到了普遍应用，光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface,FDDI）就是应用非常广泛的例子。
数字信号的传输方式有基带传输和频带传输两种，定义如下。
基带传输不需调制，编码后的数字脉冲信号可直接在信道上传送，如以太网。
数字信号调制成频带模拟信号后再传送的方式属于频带传输，接收方需要解调，例如，电话模拟信道传输以及闭路电视的信号传输。
HCNA认证知识点提示：基带传输、频带传输、帧中继功能特点、DTE、DCE、数字链路。
HCNP认证知识点提示：数字信号的传输方式、数据通信的交换方式。
习题
1.数据通信是如何定义的？
2.数据通信具有哪些特点？
3.数据通信系统由哪几部分组成？
4.数据通信系统中常用的数据交换方式有哪些？它们各自有什么特点？
5.数据通信的工作方式有哪些？
6.各种数据通信工作方式的典型应用有哪些？
7.数据通信方式如何分类？
8.数据通信网络常用的传输介质有哪些？
9.无线传输的常用技术有哪些？各有何特点？
10.选择传输介质一般考虑哪些因素？
11.数据信号的基本传输方式有哪些？