物理层(二)：数据通信

1、信息、数据与信号

1.1、基本概念

　　信息(information)：组建计算机网络的目的是实现信息共享。文字、语音、图或视频等都可以作为信息的载体。

　　数据(data)：为了存储、处理和传输信息，要将表达信息的字符、数字、语音、图形、图像或视频采用二进制数据表示。计算机存储与处理的是二进制代码。

　　信号(signal)：在通信系统中，二进制代码0、1比特序列必须变换成用不同的电平或频率变化的信号后，才能通过传输介质进行传输。

1.2、信息与编码

　　信息交换标准编码ACSII码。ASCII码被用于计算机内码，是数据通信中的编码标准。

1.3、信息、数据与信号的关系

　　

要实现收发双方之间的比特流传输，

　　首先，将待传输的计算机产生的二进制比特序列通过数据信号编码器转换为一种特定的电信号，

　　再由发送端的发送设备通过通信线路，将信号传送到接收端。接收端的数据信号接收设备在接收到信号之后，传送给数据信号解码器，还原出二进制数据。

　　最后，按照ASCII编码规则解释接收到的二进制数据。

　　计算机间交换的是 "信息"，计算机将信息转换为计算机能够识别、处理、存储与传输的 "数据" ，而计算机网络物理层之间通过传输介质传输的是 "信号" 。

2、数据通信方式

　　在数据通信中，将发送数据的一方称为 "信源"、"源主机"、"发送端" 或 "发送主机"。将接收数据的一方称为 "新宿"、"目的主机" 或 "接收主机"。

　　

　　若主机A要与主机B进行通信，主机A先将数据传送给路由器A；路由器A以存储转发方式接收数据，路由器来决定通信子网中数据传送路径。

2.1、数据传输类型

　　在传输介质上传输的信号类型有两种：模拟信号 与 数字信号。

　　

　　电平幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)。

　　

　　使用不同的电平表示0、1比特序列电压跳变的脉冲信号，这种信号称为数字信号(digital signal)。

　　数据在计算机中以离散的二进制数字表示，但在数据通信过程中，是以数字信号方式还是以模拟信号方式表示取决于通信线路允许传输的信号类型。

　　若通信信道不允许直接传输计算机产生的数字信号，需要在发送端将数字信号变换成模拟信号，在接收端在将模拟信号还原成数字信号，这个过程称为调制/解调。

2.2、数据通信方式

2.2.1、串行通信与并行通信

　　按照数据通信使用的信道数，可以分为两种类型：串行通信与并行通信。

　　

　　在数据通信中，将表示一个字符的二进制代码由低位到高位的顺序依次发送的方式称为串行通信。

　　

　　在数据通信中，将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送，每次发送一个字符代码的方式称为并行通信。

　　采用串行通信方式只需在收发双方之间建立一条通信信道；采用并行通信方式在收发双方之间建立并行的多条通信信道。

2.2.2、单工、半双工与全双工通信

　　按信号传送方向与时间的关系，数据通信可以分为三种类型：单工通信、半双工通信与全双工通信。

　　

　　在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。

　　

　　半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须是交替进行，一个事件只能向一个方向传送。

　　

　　全双工通信方式中，信号可以同时双向传送。

2.2.3、同步技术

　　同步是要求在时间基准上保持一致的过程。数据通信的同步包括以下两种类型：位同步，字符同步。

3.1、位同步

　　数据通信首先要解决收发双方的时钟频率一致性问题。解决此问题的基本方法：

　　要求接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻，这个过程称为位同步。

实现位同步的方法：外同步、内同步。

　　外同步：在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送伊犁路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。

　　内同步：从自含时钟编码的发送信号中提取同步时钟的方法。

3.2、字符同步

　　标准的ASCII码是由8位二进制0、1组成的。发送端以8位为一个字符单元来发送，接收端也以8位的字符单元来接收。保证收发双方正确传输字符的过程称为字符同步。

　　实现字符同步的方式：同步传输、异步传输。

　　

　　同步传输(synchronous transmission)是采用同步的方式进行数据传输，同步传输将字符组织成组，以组为单位连续传送。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN，每个数据字符内不加附加位。接收端接收到同步字符SYNC后，根据SYNC来确定字符的起始与终止，以实现同步传输的功能。

　　

　　异步传输(asynchronous transmission)是采用异步方式进行数据传输，异步传输的特点：每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔是任意的。为实现字符同步，每个字符的第一位前加1位起始位(逻辑1)，字符的左后一位加1或2位终止位(逻辑0)。

　　同步通信比异步通信传输效率高，同步通信更适用于高速数据传输。

3、传输介质的主要类型与特性

　　网络中长常用的传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线与卫星通信信道。

3.1、双绞线的主要特性

　　双绞线常用语局域网，由相互绝缘的铜导线组成。

局域网中使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线(STP) 与 非屏蔽双绞线 (UTP)。

　　

　　屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。

　　

　　非屏蔽双绞线由外部保护层与多对双绞线组成。

3.2、同轴电缆的主要特性

　　

　　同轴电缆有内导体、绝缘体、外层屏蔽层以及外部保护层组合成。同轴介质的特性参数由内导体、外屏蔽层及绝缘层的电参数与机械尺寸决定的。

3.3、光纤的主要特性

　　

　　在发送端，使用发光二极管(LED)或注入型激光二极管(ILD)作为光源。在接收端，使用光电二极管PIN检波器将光信号转换成电信号。光载波调制方法采用振幅键控ASK调制方法，即亮度调制。光纤传输速率可达到Gbps的量级。

4、数据编码分类

　　计算机内部的二进制数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于通信线路所支持的数据通信类型。

　　数据与主要的数据编码方法关系：

　　

　　常用的通信线路分为两类：模拟通信线路与数字通信线路。

　　对应的数据编码方式也分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。

　　拟数据编码可进一步划分为：振幅键控、移频键控与移相键控三种形式。