所有計(jì)算機(jī)之間之間通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信都涉及由傳輸介質(zhì)傳輸某種形式的數(shù)據(jù)編碼信號。 傳輸介質(zhì)在計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間起互連和通信作用，為數(shù)據(jù)信號提供從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理通路。 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸介質(zhì)可分為有線和無線傳輸介質(zhì)兩大類。
一、有線傳輸介質(zhì)(Wired Transmission Media)
有線傳輸介質(zhì)在數(shù)據(jù)傳輸中只作為傳輸介質(zhì)，而非信號載體。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中流行使用的有線傳輸介質(zhì)(Wired Transmission Media)為：銅線和玻璃纖維。
1. 銅線
銅線(Copper Wire)由于具有較低的電阻率、價(jià)廉和容易安裝等優(yōu)點(diǎn)因而成為最早用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸介質(zhì)，它以介質(zhì)中傳輸?shù)碾娏髯鳛閿?shù)據(jù)信號的載體。為了盡可能減小銅線所傳輸信號之間的相互干涉(Interference)，我們使用兩種基本的銅線類型：雙絞線和同軸電纜。
(1)雙絞線
雙絞線(Twisted Pair)是把兩條互相絕緣的銅導(dǎo)線紐絞起來組成一條通信線路，它既可減小流過電流所輻射的能量，也可防止來自其他通信線路上信號的干涉。雙絞線分屏蔽和無屏蔽兩種，其形狀結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。雙絞線的線路損耗較大，傳輸速率低，但價(jià)格便宜，容易安裝，常用于對通信速率要求不高的網(wǎng)絡(luò)連接中。
(2)同軸電纜
同軸電纜(Coaxial Cable)由一對同軸導(dǎo)線組成。同軸電纜頻帶寬，損耗小，具有比雙絞線更強(qiáng)的抗干擾能力和更好的傳輸性能。按特性阻抗值不同，同軸電纜可分為基帶(用于傳輸單路信號)和寬帶(用于同時(shí)傳輸多路信號)兩種。同軸電纜是目前LAN局域網(wǎng)與有線電視網(wǎng)中普遍采用的比較理想的傳輸介質(zhì)。
2.玻璃纖維
目前，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中十分流行使用易彎曲的石英玻璃纖維來作為傳輸介質(zhì)，它以介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠?光脈沖信號)作為信息載體，因此我們又將之稱為光導(dǎo)纖維，簡稱光纖(Optical Fiber)或光纜(Optical Cable)。
光纜由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維(纖芯)，外加包層（硅橡膠）和保護(hù)層構(gòu)成。在光纜一頭的發(fā)射器使用LED光發(fā)射二極管(Light Emitting Diode)或激光(Laser)來發(fā)射光脈沖，在光纜另一頭的接收器使用光敏半導(dǎo)體管探測光脈沖。
模擬數(shù)據(jù)通信與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信
一、通信信道與信道容量(Communication Channel & Channel Capacity)
通信信道(Communication Channel)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐罚谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道指用于傳輸數(shù)據(jù)信號的物理通路，它由傳輸介質(zhì)與有關(guān)通信設(shè)備組成；邏輯信道指在物理信道的基礎(chǔ)上，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信號的雙方通過中間結(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的邏?quot;聯(lián)系"，由此為傳輸數(shù)據(jù)信號形成的邏輯通路。邏輯信道可以是有連接的，也可以是無連接的。 物理信道還可根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同而分為有線信道和無線信道，也可按傳輸數(shù)據(jù)類型的不同分為數(shù)字信道和模擬信道。 信道容量(Channel Capacity)指信道傳輸信息的最大能力：對于數(shù)字信道一般用單位時(shí)間可以傳輸?shù)淖畲蠖M(jìn)制位(比特bit)數(shù)來表示，對于模擬信道則由信道的帶寬表示。信道容量的大小還受信道質(zhì)量和可使用時(shí)間的影響，當(dāng)信道質(zhì)量較差時(shí)，實(shí)際傳輸速率將降低。
二、模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信 (Analog Data Communication & Digital Data Communication)
1.模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)
我們一般將數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩大類。
模擬數(shù)據(jù)(Analog Data)是由傳感器采集得到的連續(xù)變化的值，例如溫度、壓力，以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(Digital Data)則是模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的值，例如在計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數(shù)據(jù)。目前，ASCII美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(American Standard Code for Information Interchange)已為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和CCITT國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)所采納，成為國際通用的信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，使用7位二進(jìn)制數(shù)來表示一個(gè)英文字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)或控制符號；圖形、音頻與視頻數(shù)據(jù)則可分別采用多種編碼格式。
2.模擬信號與數(shù)字信號
(1)模擬信號與數(shù)字信號
不同的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號才能進(jìn)行傳輸：模擬數(shù)據(jù)一般采用模擬信號(Analog Signal)，例如用一系列連續(xù)變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波)，或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信號)來表示；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)則采用數(shù)字信號(Digital Signal)，例如用一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進(jìn)制數(shù)1，用恒定的負(fù)電壓表示二進(jìn)制數(shù)0)，或光脈沖來表示。 當(dāng)模擬信號采用連續(xù)變化的電磁波來表示時(shí)，電磁波本身既是信號載體，同時(shí)作為傳輸介質(zhì)；而當(dāng)模擬信號采用連續(xù)變化的信號電壓來表示時(shí)，它一般通過傳統(tǒng)的模擬信號傳輸線路(例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng))來傳輸。 當(dāng)數(shù)字信號采用斷續(xù)變化的電壓或光脈沖來表示時(shí)，一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來，才能將信號從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
(2)模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換
模擬信號和數(shù)字信號之間可以相互轉(zhuǎn)換：模擬信號一般通過PCM脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulation)方法量化為數(shù)字信號，即讓模擬信號的不同幅度分別對應(yīng)不同的二進(jìn)制值，例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個(gè)量級，實(shí)用中常采取24位或30位編碼；數(shù)字信號一般通過對載波進(jìn)行移相(Phase Shift)的方法轉(zhuǎn)換為模擬信號。 計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與城域網(wǎng)中均使用二進(jìn)制數(shù)字信號，目前在計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)中實(shí)際傳送的則既有二進(jìn)制數(shù)字信號，也有由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而得的模擬信號。但是更具應(yīng)用發(fā)展前景的是數(shù)字信號。
3.模擬數(shù)據(jù)通信與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信
(1)模擬數(shù)據(jù)通信
路來傳輸模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)的模擬信號。例如目前我們廣泛使用公用電話線路來傳輸語音或計(jì)算機(jī)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)的模擬信號，我們也可以使用公共有線電視網(wǎng)來傳輸視頻和計(jì)算機(jī)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)的模擬信號；而微波與衛(wèi)星通信傳輸?shù)囊部梢允悄M數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)的模擬信號。
為了用模擬數(shù)據(jù)通信的方法實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，我們一般不直接傳輸模擬信號(包括由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而來的模擬信號)，而是在發(fā)送方使用某一頻率的電磁波作為載波(Carrier)，然后用模擬信號或數(shù)字信號對其進(jìn)行調(diào)制(Modulation)，調(diào)制后的載波信號(為模擬信號)占有以該載波頻率為中心的一段頻譜，并能在適于該載波頻率的介質(zhì)上傳輸；而在接收方則通過解調(diào)制(Demodulation)還原疊加于載波上的模擬信號或數(shù)字信號。我們將可同時(shí)完成調(diào)制和解調(diào)的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器(MODEM)。
(2)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信(Digital Data Communication)指直接利用數(shù)字傳輸技術(shù)在數(shù)字設(shè)備之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或模擬數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)字信號。由于計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制數(shù)字信號，因而計(jì)算機(jī)與其外部設(shè)備之間，以及計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、城域網(wǎng)大多直接采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信。此外，目前北美采用的24路PCM脈碼調(diào)制(速率為1.544Mpbs)，以及歐洲和我國采用的30路PCM脈碼調(diào)制(速率為2.048Mbps)電話系統(tǒng)均是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。
由于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信傳送的是離散的數(shù)字信號，即逐位傳送二進(jìn)制數(shù)字代碼，因此要求系統(tǒng)應(yīng)能確知傳輸線上正在傳送的數(shù)位是0還是1。
(3)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信的優(yōu)點(diǎn)
與模擬數(shù)據(jù)通信相比較，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信具有下列優(yōu)點(diǎn)：
a. 來自聲音、視頻和其他數(shù)據(jù)源的各類數(shù)據(jù)均可統(tǒng)一為數(shù)字信號的形式，并通過數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸
b. 以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，并通過檢錯(cuò)編碼和重發(fā)數(shù)據(jù)幀來發(fā)現(xiàn)與糾正通信錯(cuò)誤，從而有效保證通信的可靠性
c. 在長距離數(shù)字通信中可通過中繼器放大和整形來保證數(shù)字信號的完整及不累積噪音
d. 使用加密技術(shù)可有效增強(qiáng)通信的安全性
e. 數(shù)字技術(shù)比模擬技術(shù)發(fā)展更快，數(shù)字設(shè)備很容易通過集成電路來實(shí)現(xiàn)，并與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，而由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字設(shè)備的體積與成本的下降速度大大超過模擬設(shè)備，性能/價(jià)格比高
f. 多路光纖技術(shù)的發(fā)展大大提高了數(shù)字通信的效率。
需要指出，鑒于傳統(tǒng)公用電話網(wǎng)已在世界范圍普及，目前家庭個(gè)人計(jì)算機(jī)用戶大都通過電話線路與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連；此外，隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，高容量、高寬帶的多路復(fù)用傳輸也大大提高了模擬通信的傳輸效率。但是，如果在兩臺計(jì)算機(jī)的通信線路之間，只有部分電路采用數(shù)字通信，則數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)并不能充分地得到發(fā)揮。因此，為了提高通信效率，有條件的用戶應(yīng)安裝數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信專線，或直接接入局域網(wǎng)；此外，應(yīng)大力發(fā)展陸上和海底的洲際光纜。 近20年來，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信技術(shù)已開始發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，數(shù)字通信已開始在長距離話音和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)領(lǐng)域逐漸替代傳統(tǒng)的模擬通信。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，則大大推動(dòng)了數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展。可以預(yù)言，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信最終將取代模擬數(shù)據(jù)通信。
數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)
在數(shù)字通信中，我們一般使用比特率和誤碼率來分別描述數(shù)據(jù)信號傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞等；在模擬通信中，我們常使用帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率。 1.帶寬
在模擬信道中，我們常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差。理論分析表明，模擬信道的帶寬或信噪比越大，信道的極限傳輸速率也越高。這也是為什么我們總是努力提高通信信道帶寬的原因。
2.比特率
在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)、每秒千比特?cái)?shù)(Kbps)或每秒兆比特?cái)?shù)(Mbps)來表示(此處K和M分別為1000和1000000，而不是涉及計(jì)算機(jī)存儲器容量時(shí)的1024和1048576)。
3.波特率
波特率指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特(Baud)。 波特率與比特率的關(guān)系為：比特率=波特率X單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。
顯然，兩相調(diào)制(單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)1個(gè)二進(jìn)制位)的比特率等于波特率；四相調(diào)制(單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)2個(gè)二進(jìn)制位)的比特率為波特率的兩倍；八相調(diào)制(單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)3個(gè)二進(jìn)制位)的比特率為波特率的三倍；依次類推。
4.誤碼率
誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤率。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字信號誤碼率低于10^(-6)。
數(shù)據(jù)傳輸方式(Data Transmission Mode)
一、基帶信號與寬帶信號以及它們的傳輸
1.基帶信號與基帶傳輸
基帶信號(Baseband Signal)直接用兩種不同的電壓來表示數(shù)字信號1和0，因此我們將對應(yīng)矩形電脈沖信號的固有頻率稱為"基帶"，相應(yīng)的信號稱為基帶信號。
基帶傳輸(Baseband Transmission)指通過有線信道直接傳輸基帶信號，一般用于傳輸距離較近的數(shù)字通信系統(tǒng)，如基帶局域網(wǎng)系統(tǒng)。
2.寬帶信號
寬帶信號(Wideband Signal)用多組基帶信號1和0分別調(diào)制不同頻率的載波，并由這些分別占用不同頻段的調(diào)制載波組成。 3.多路復(fù)用
為了充分利用通信干線的通信能力，人們廣泛使用多路復(fù)用(Multiplex)技術(shù)，即讓多路通信信道同時(shí)共用一條線路。多路復(fù)用可分為頻分多路復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用。
·頻分多路復(fù)用
當(dāng)我們采用寬帶信號時(shí)，由于同一線路上不同頻率的各路信道互不干擾地同時(shí)傳輸各自的信號，我們稱之為頻分多路復(fù)用(Frequency -Division Multiplexing)。頻分多路復(fù)用常用于寬帶網(wǎng)絡(luò)中。
·時(shí)分多路復(fù)用
當(dāng)我們采用基帶信號時(shí)，如讓各路通信按時(shí)間順序瞬時(shí)地分別占有線路的整個(gè)頻帶，并周期性地重復(fù)此過程，該線路就按時(shí)間分隔成了多個(gè)邏輯信道，我們稱之為時(shí)分多路復(fù)用(Time Multiplexing)。其中，同步分時(shí)多路通信可以確定每個(gè)信道何時(shí)使用線路；反之則稱為異步分時(shí)多路通信。時(shí)分多路復(fù)用常用于基帶網(wǎng)絡(luò)中。
二、并行與串行方式(Parallel & Serial Mode)
根據(jù)一次傳輸數(shù)位的多少可將基帶傳輸分為并行(Parallel)方式和串行(Serial)方式，前者是通過一組傳輸線多位同時(shí)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，后者是通過一對傳輸線逐位傳輸數(shù)字代碼。通常，計(jì)算機(jī)內(nèi)部以及計(jì)算機(jī)與并行打印機(jī)之間采用并行方式，而傳輸距離較遠(yuǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)多采用串行方式。
并行傳輸方式要求并行的各條線路同步，因此需要傳輸定時(shí)和控制信號，而并行的各路信號在經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)與放大處理時(shí)，將引起不同的延遲與畸變，故較難實(shí)現(xiàn)并行同步。若采用更復(fù)雜的技術(shù)、設(shè)備與線路，其成本會(huì)顯著上升。故在遠(yuǎn)距離數(shù)字通信中一般不使用并行方式。 串行通信雙方常以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸信息，但由于串行方式只能逐位傳輸數(shù)據(jù)，因此，在發(fā)送方需要進(jìn)行信號的并/串轉(zhuǎn)換，而接收方則需要進(jìn)行信號的串/并轉(zhuǎn)換。
三、單工、半雙工和全雙工方式(Simplex, Half Duplex & Full Duplex)
根據(jù)通信雙方的分工和信號傳輸方向可將通信分為三種方式：單工、半雙工與全雙工。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要采用雙工方式，其中：局域網(wǎng)采用半雙工方式，城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)采用全雙年方式。
1. 單工(Simplex)方式：通信雙方設(shè)備中發(fā)送器與接收器分工明確，只能在由發(fā)送器向接收器的單一固定方向上傳送數(shù)據(jù)。采用單工通信的典型發(fā)送設(shè)備如早期計(jì)算機(jī)的讀卡器，典型的接收設(shè)備如打印機(jī)。
2. 半雙工(Half Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺設(shè)備可以相互傳送數(shù)據(jù)，但某一時(shí)刻則只能向一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)。例如，步話機(jī)是半雙工設(shè)備，因?yàn)樵谝粋�(gè)時(shí)刻只能有一方說話。
3. 全雙工(Full Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺設(shè)備可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)。例如，電話是全雙工設(shè)備，因?yàn)殡p方可同時(shí)說話。
四、異步傳輸與同步傳輸(Asynchronous & Synchronous Transmission)
1.同步問題的重要性
在數(shù)字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。當(dāng)發(fā)送器通過傳輸介質(zhì)向接收器傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，如每次發(fā)出一個(gè)字符(或一個(gè)數(shù)據(jù)幀)的數(shù)據(jù)信號，接收器必須識別出該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號的開始位和結(jié)束位，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻正確地讀取該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號的每一位信息，這就是接收器與發(fā)送器之間的基本同步問題。
當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時(shí)，為了保證傳輸信號的完整性和準(zhǔn)確性，除了要求接收器應(yīng)能識別每個(gè)字符(或數(shù)據(jù)幀)對應(yīng)信號的起止，以保證在正確的時(shí)刻開始和結(jié)束讀取信號，也即保持傳輸信號的完整性外；還要求使其時(shí)鐘與發(fā)送器保持相同的頻率，以保證單位時(shí)間讀取的信號單元數(shù)相同，也即保證傳輸信號的準(zhǔn)確性。
因此當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時(shí)，要求發(fā)送器應(yīng)對所發(fā)送的信號采取以下兩個(gè)措施：①在每幀數(shù)據(jù)對應(yīng)信號的前面和后面分別添加有別于數(shù)據(jù)信號的開始信號和停止信號；②在每幀數(shù)據(jù)信號的前面添加時(shí)鐘同步信號，以控制接收器的時(shí)鐘同步。
2.異步傳輸與同步傳輸
異步傳輸與同步傳輸均存在上述基本同步問題：一般采用字符同步或幀同步信號來識別傳輸字符信號或數(shù)據(jù)幀信號的開始和結(jié)束。兩者之間的主要區(qū)別在于發(fā)送器或接收器之一是否向?qū)Ψ桨l(fā)送時(shí)鐘同步信號。
異步傳輸(Asynchronous Transmission)以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，采用位形式的字符同步信號，發(fā)送器和接收器具有相互獨(dú)立的時(shí)鐘(頻率相差不能太多)，并且兩者中任一方都不向?qū)Ψ教峁⿻r(shí)鐘同步信號。異步傳輸?shù)陌l(fā)送器與接收器雙方在數(shù)據(jù)可以傳送之前不需要協(xié)調(diào)：發(fā)送器可以在任何時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收器必須隨時(shí)都處于準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。計(jì)算機(jī)主機(jī)與輸入、輸出設(shè)備之間一般采用異步傳輸方式，如鍵盤、典型的RS-232串口(用于計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器或ASCII碼終端設(shè)備之間)：發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送一個(gè)字符(由一個(gè)開始位引導(dǎo)，然后連續(xù)發(fā)完該字符的各位，后跟一個(gè)位長以上的啞位)。
同步傳輸(Synchronous Transmission)以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號(后者的傳輸效率和可靠性高)，由發(fā)送器或接收器提供專用于同步的時(shí)鐘信號。在短距離的高速傳輸中，該時(shí)鐘信號可由專門的時(shí)鐘線路傳輸；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用同步傳輸方式時(shí)，常將時(shí)鐘同步信號植入數(shù)據(jù)信號幀中，以實(shí)現(xiàn)接收器與發(fā)送器的時(shí)鐘同步。
錯(cuò)誤檢測與修正(Error Check & Correct)
在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信中，由發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號禎(Frame)在經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳到接收器后，由于多種原因可能導(dǎo)致錯(cuò)誤位(bit errors)的出現(xiàn)，因此必須由接收器采取一定的措施探測出所有的錯(cuò)誤位，并進(jìn)而采取一定的措施予以修正。
一、錯(cuò)誤檢測的基本原理(Principle of Error Check)
發(fā)送器向所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號禎添加錯(cuò)誤檢驗(yàn)碼(Check Bits)，并取該錯(cuò)誤檢測碼作為該被傳輸數(shù)據(jù)信號的函數(shù)；接收器根據(jù)該函數(shù)的定義進(jìn)行同樣的計(jì)算，然后將兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行比較：如果結(jié)果相同，則認(rèn)為無錯(cuò)誤位；否則認(rèn)為該數(shù)據(jù)禎存在有錯(cuò)誤位。
一般說來，錯(cuò)誤檢測可能出現(xiàn)三種結(jié)果：
1. 在所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中未探測到，也不存在錯(cuò)誤位
2. 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個(gè)或多個(gè)被探測到的錯(cuò)誤位，但不存在未探測到的錯(cuò)誤位
3. 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個(gè)或多個(gè)沒有被探測到的錯(cuò)誤位。
顯然我們希望盡可能好地選擇該檢測函數(shù)，使檢測結(jié)果可靠，即：所有的錯(cuò)誤最好都能被檢測出來；如檢測出現(xiàn)無錯(cuò)結(jié)果，則應(yīng)不再存在任何未被檢測出來的錯(cuò)誤。
實(shí)際采用的錯(cuò)誤檢測方法主要有兩類：奇偶校驗(yàn)(Parity)和CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check)。
二、奇偶校驗(yàn)(Parity)
1.單向奇偶校驗(yàn)
單向奇偶校驗(yàn)(Row Parity)由于一次只采用單個(gè)校驗(yàn)位，因此又稱為單個(gè)位奇偶校驗(yàn)(Single Bit Parity)。發(fā)送器在數(shù)據(jù)禎每個(gè)字符的信號位后添一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，接收器對該奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行檢查。典型的例子是面向ASCII碼的數(shù)據(jù)信號禎的傳輸，由于ASCII碼是七位碼，因此用第八個(gè)位碼作為奇偶校驗(yàn)位。
單向奇偶校驗(yàn)又分為奇校驗(yàn)(Odd Parity)和偶校驗(yàn)(Even Parity)，發(fā)送器通過校驗(yàn)位對所傳輸信號值的校驗(yàn)方法如下：奇校驗(yàn)保證所傳輸每個(gè)字符的8個(gè)位中1的總數(shù)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)則保證每個(gè)字符的8個(gè)位中1的總數(shù)為偶數(shù)。
顯然，如果被傳輸字符的7個(gè)信號位中同時(shí)有奇數(shù)個(gè)(例如1、3、5、7)位出現(xiàn)錯(cuò)誤，均可以被檢測出來；但如果同時(shí)有偶數(shù)個(gè)(例如2、4、6)位出現(xiàn)錯(cuò)誤，單向奇偶校驗(yàn)是檢查不出來的。
一般在同步傳輸方式中常采用奇校驗(yàn)，而在異步傳輸方式中常采用偶校驗(yàn)。
2.雙向奇偶校驗(yàn)
為了提高奇偶校驗(yàn)的檢錯(cuò)能力，可采用雙向奇偶校驗(yàn)(Row and Column Parity)，也可稱為雙向冗余校驗(yàn)(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。
三、CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check)
1.CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)的基本原理
發(fā)送器和接收器約定選擇同一個(gè)由n+1個(gè)位組成的二進(jìn)制位列P作為校驗(yàn)列，發(fā)送器在數(shù)據(jù)禎的K個(gè)位信號后添加n個(gè)位(n < K)組成的FCS禎檢驗(yàn)列(Frame Check Sequence)，以保證新組成的全部信號列值可以被預(yù)定的校驗(yàn)二進(jìn)制位列P的值對二取模整除；接收器檢驗(yàn)所接收到數(shù)據(jù)信號列值(含有數(shù)據(jù)信號禎和FCS禎檢驗(yàn)列)是否能被校驗(yàn)列P對二取模整除，如果不能，則存在傳輸錯(cuò)誤位。P被稱為CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)列，正確選擇P可以提高CRC冗余校驗(yàn)的能力。(注：對二取模的四則運(yùn)算指參與運(yùn)算的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)各位之間凡涉及加減運(yùn)算時(shí)均進(jìn)行XOR異或運(yùn)算，即：1 XOR 1=0，0 XOR 0=0，1 XOR 0=1)。可以證明，只要數(shù)據(jù)禎信號列M和校驗(yàn)列P是確定的，則可以唯一確定FCS禎檢驗(yàn)列(也稱為CRC冗余檢驗(yàn)值)的各個(gè)位。
FCS幀檢驗(yàn)列可由下列方法求得：在M后添加n個(gè)零后對二取模整除以P所得的余數(shù)。
例如：如要傳輸?shù)腗=7位列為1011101，選定的P校驗(yàn)二進(jìn)制位列為10101(共有n+1=5位)，對應(yīng)的FCS幀校驗(yàn)列即為用1011101 0000(共有M+n=7+4=11位)對二取模整除以10101后的余數(shù)0111(共有n=4位)。因此，發(fā)送方應(yīng)發(fā)送的全部數(shù)據(jù)列為10111010111。接收方將收到的11位數(shù)據(jù)對二取模整除以P校驗(yàn)二進(jìn)制位列10101，如余數(shù)非0，則認(rèn)為有傳輸錯(cuò)誤位。
2.CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X)
為了表示方便，實(shí)用時(shí)發(fā)送器和接收器共同約定選擇的校驗(yàn)二進(jìn)制位列P常被表示為具有二進(jìn)制系數(shù)(1或0)的CRC標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)多項(xiàng)式P(X)。
(1)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X)
常用的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式如下：
CRC(16位) = X^16+X^15+X^2+1
CRC(CCITT) = X^16+X^12+X^5+1
CRC(32位) =X^32+X^26+X^23+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1
以CRC(16位)多項(xiàng)式為例，其對應(yīng)校驗(yàn)二進(jìn)制位列為1 1000 0000 0000 0101。
注意：這兒列出的標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)多項(xiàng)式P(X)都含有(X+1)的多項(xiàng)式因子；各多項(xiàng)式的系數(shù)均為二進(jìn)制數(shù)，所涉及的四則運(yùn)算仍遵循對二取模的運(yùn)算規(guī)則。
(2)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X)的檢錯(cuò)能力
CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)具有比奇偶校驗(yàn)強(qiáng)得多的檢錯(cuò)能力。可以證明：它可以檢測出所有的單個(gè)位錯(cuò)、幾乎所有的雙個(gè)位錯(cuò)、低于P(X)對應(yīng)二進(jìn)制校驗(yàn)列位數(shù)的所有連續(xù)位錯(cuò)、大于或等于P(X)對應(yīng)二進(jìn)制校驗(yàn)列位數(shù)的絕大多數(shù)連續(xù)位錯(cuò)。
但是，當(dāng)傳輸中發(fā)生的錯(cuò)誤多項(xiàng)式E(X)能被校驗(yàn)多項(xiàng)式P(X)對二取模整除時(shí)，它就不可能被P(X)探測出來，例如當(dāng)E(X)=P(X)時(shí)。
四、錯(cuò)誤修正(Error Correction)
對數(shù)據(jù)信號禎傳輸過程中的位錯(cuò)進(jìn)行修正的方法主要有兩種：
1. 由發(fā)送器提供錯(cuò)誤修正碼，然后由接收器自己修正錯(cuò)誤
2. 在接收器發(fā)現(xiàn)接收到的錯(cuò)誤禎中有位錯(cuò)誤時(shí)，通知發(fā)送器重新發(fā)送數(shù)據(jù)信號禎。
前一種方法中的錯(cuò)誤修正碼需要發(fā)送器由被傳送數(shù)據(jù)信號禎計(jì)算得到，然后添加到數(shù)據(jù)禎的后面，其長度幾乎等于數(shù)據(jù)位數(shù)，導(dǎo)致效率降低50%，實(shí)際采用不多；一般采用后一種較為有效的重發(fā)送方法。
數(shù)據(jù)交換技術(shù)(Data Switching Technology)
在數(shù)據(jù)通信線路中，最簡單的形式是在由某種傳輸介質(zhì)直接連接的兩臺設(shè)備之間進(jìn)行通信。但在長距離通信中，從源站發(fā)出的數(shù)據(jù)一般還需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)或多個(gè)用作交換設(shè)備的中間結(jié)點(diǎn)，由相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的交換設(shè)備把數(shù)據(jù)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的站。通常我們將交換網(wǎng)絡(luò)中所有通信的發(fā)送方與接收方的主機(jī)均簡稱為站，而將通信交換設(shè)備簡稱為結(jié)點(diǎn)。這些結(jié)點(diǎn)以不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)用傳輸線路互相連接起來，而每個(gè)站點(diǎn)都連接到某個(gè)結(jié)點(diǎn)上。
在交換網(wǎng)絡(luò)中，站點(diǎn)之間需要通過有關(guān)結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，基本的交換技術(shù)有兩類：電路交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)，存儲轉(zhuǎn)發(fā)又可以分為報(bào)文交換和分組交換，分組交換則可分為面向連接的虛電路傳輸和無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸。目前，最具有發(fā)展前景的是高速分組交換技術(shù)。
一、電路交換(Circuit Switching)
電路交換(Circuit Switching)是在兩個(gè)站點(diǎn)之間通過通信子網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)建立一條專用的通信線路，這些結(jié)點(diǎn)通常是一臺采用機(jī)電與電子技術(shù)的交換設(shè)備(例如程控交換機(jī))。也就是說，在兩個(gè)通信站點(diǎn)之間需要建立實(shí)際的物理連接，其典型實(shí)例是兩臺電話之間通過公共電話網(wǎng)絡(luò)的互連實(shí)現(xiàn)通話。
電路交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信需經(jīng)過下列三個(gè)步驟：首先是建立連接，即建立端到端(站點(diǎn)到站點(diǎn))的線路連接；其次是數(shù)據(jù)傳送，所傳輸數(shù)據(jù)可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(如遠(yuǎn)程終端到計(jì)算機(jī))，也可以是模擬數(shù)據(jù)(如聲音)；最后是拆除連接，通常在數(shù)據(jù)傳送完畢后由兩個(gè)站點(diǎn)之一終止連接。 電路交換的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，但將電話采用的電路交換技術(shù)用于傳送計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下列問題：①用于建立連接的呼叫時(shí)間大大長于數(shù)據(jù)傳送時(shí)間(這是因?yàn)樵诮⑦B接的過程中，會(huì)涉及一系列硬件開關(guān)動(dòng)作，時(shí)間延遲較長，如某段線路被其他站點(diǎn)占用或物理斷路，將導(dǎo)致連接失敗，并需重新呼叫)；②通信帶寬不能充分利用，效率低(這是因?yàn)閮蓚�(gè)站點(diǎn)之間一旦建立起連接，就獨(dú)自占用實(shí)際連通的通信線路，而計(jì)算機(jī)通信時(shí)真正用來傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間一般不到10%，甚至可低到1%)；③由于不同計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程終端的傳輸速率不同，因此必須采取一些措施才能實(shí)現(xiàn)通信，如不直接連通終端和計(jì)算機(jī)，而設(shè)置數(shù)據(jù)緩存器等。
二、報(bào)文交換(Message Switching)
報(bào)文交換(Message Switching)是通過通信子網(wǎng)上的結(jié)點(diǎn)采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式來傳輸數(shù)據(jù)，它不需要在兩個(gè)站點(diǎn)之間建立一條專用的通信線路。報(bào)文交換中傳輸數(shù)據(jù)的邏輯單元稱為報(bào)文，其長度一般不受限制，可隨數(shù)據(jù)不同而改變。一般它將接收報(bào)文站點(diǎn)的地址附加于報(bào)文一起發(fā)出，每個(gè)中間結(jié)點(diǎn)接收報(bào)文后暫存報(bào)文，然后根據(jù)其中的地址選擇線路再把它傳到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的站點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)報(bào)文交換的結(jié)點(diǎn)通常是一臺計(jì)算機(jī)，它具有足夠的存儲容量來緩存所接收的報(bào)文。一個(gè)報(bào)文在每個(gè)結(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間等于接收報(bào)文的全部位碼所需時(shí)間、等待時(shí)間，以及傳到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)的排隊(duì)延遲時(shí)間之和。
報(bào)文交換的主要優(yōu)點(diǎn)是線路利用率較高，多個(gè)報(bào)文可以分時(shí)共享結(jié)點(diǎn)間的同一條通道；此外，該系統(tǒng)很容易把一個(gè)報(bào)文送到多個(gè)目的站點(diǎn)。報(bào)文交換的主要缺點(diǎn)是報(bào)文傳輸延遲較長(特別是在發(fā)生傳輸錯(cuò)誤后)，而且隨報(bào)文長度變化，因而不能滿足實(shí)時(shí)或交互式通信的要求，不能用于聲音連接，也不適于遠(yuǎn)程終端與計(jì)算機(jī)之間的交互通信。
三、分組交換(Packet Switching)
分組交換(Packet Switching)的基本思想包括：數(shù)據(jù)分組、路由選擇與存儲轉(zhuǎn)發(fā)。它類似于報(bào)文交換，但它限制每次所傳輸數(shù)據(jù)單位的長度(典型的最大長度為數(shù)千位)，對于超過規(guī)定長度的數(shù)據(jù)必須分成若干個(gè)等長的小單位，稱為分組(Packets)。從通信站點(diǎn)的角度來看，每次只能發(fā)送其中一個(gè)分組。
各站點(diǎn)將要傳送的大塊數(shù)據(jù)信號分成若干等長而較小的數(shù)據(jù)分組，然后順序發(fā)送；通信子網(wǎng)中的各個(gè)結(jié)點(diǎn)按照一定的算法建立路由表(各目標(biāo)站點(diǎn)各自對應(yīng)的下一個(gè)應(yīng)發(fā)往的結(jié)點(diǎn))，同時(shí)負(fù)責(zé)將收到的分組存儲于緩存區(qū)中(而不使用速度較慢的外存儲器)，再根據(jù)路由表確定各分組下一步應(yīng)發(fā)向哪個(gè)結(jié)點(diǎn)，在線路空閑時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)；依次類推，直到各分組傳到目標(biāo)站點(diǎn)。由于分組交換在各個(gè)通信路段上傳送的分組不大，故只需很短的傳輸時(shí)間(通常僅為ms數(shù)量級)，傳輸延遲小，故非常適合遠(yuǎn)程終端與計(jì)算機(jī)之間的交互通信，也有利于多對時(shí)分復(fù)用通信線路；此外由于采取了錯(cuò)誤檢測措施，故可保證非常高的可靠性；而在線路誤碼率一定的情況下，小的分組還可減少重新傳輸出錯(cuò)分組的開銷；與電路交換相比，分組交換帶給用戶的優(yōu)點(diǎn)則是費(fèi)用低。 根據(jù)通信子網(wǎng)的不同內(nèi)部機(jī)制，分組交換子網(wǎng)又可分為面向連接(Connect-Oriented)和無連接(Connectless)兩類。前者要求建立稱為虛電路(Virtual Circuit)的連接，一對主機(jī)之間一旦建立虛電路，分組即可按虛電路號傳輸，而不必給出每個(gè)分組的顯式目標(biāo)站點(diǎn)地址，在傳輸過程中也無須為之單獨(dú)尋址，虛電路在關(guān)閉連接時(shí)撤銷。后者不建立連接，數(shù)據(jù)報(bào)(Datagram，即分組)帶有目標(biāo)站點(diǎn)地址，在傳輸過程中需要為之單獨(dú)尋址。
分組交換的靈活性高，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)面向連接或無連接的通信，并能充分利用通信線路，因此現(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)交換網(wǎng)都采用分組交換技術(shù)。LAN局域網(wǎng)也采用分組交換技術(shù)，但在局域網(wǎng)中，從源站到目的站只有一條單一的通信線路，因此，不需要公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中的路由選擇和交換功能。 四、高速分組交換技術(shù)(High Speed Packet Switching Technology)
由于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，人們對通信線路帶寬的需求越來越高，現(xiàn)有的交換技術(shù)，已經(jīng)不能滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，如交互式的會(huì)話對實(shí)時(shí)性要求很高，延遲要很小；高清晰度電視圖像及多媒體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送都要求高速寬帶的通信網(wǎng)。
1.幀中繼
幀中繼(Frame Relay)是目前開始流行的一種高速分組技術(shù)。典型的幀中繼通信系統(tǒng)以幀中繼交換機(jī)作為結(jié)點(diǎn)組成高速幀中繼網(wǎng)，再將各個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過路由器與幀中繼網(wǎng)絡(luò)中的某一結(jié)點(diǎn)相連；與一般分組交換在每個(gè)結(jié)點(diǎn)均要對組成分組的各個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢錯(cuò)等處理不同的是：幀中繼交換結(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)幀時(shí)就轉(zhuǎn)發(fā)該幀，并大大減少(并不完全取消)接收該幀過程中的檢錯(cuò)步驟，從而將結(jié)點(diǎn)對幀的處理時(shí)間縮短一個(gè)數(shù)量級，因此稱為高速分組交換。當(dāng)某結(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則立即中止該幀的傳輸，并由源站申請重發(fā)該幀。顯然，只有當(dāng)幀中繼網(wǎng)絡(luò)中的錯(cuò)誤率非常低時(shí)，幀中繼技術(shù)才是可行的。
幀中繼的幀長是可變的，可按需要分配帶寬，幀中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率可達(dá)64Kbps~45Mbps，適用于局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。
2.ATM異步傳輸模式
最有發(fā)展前途的高速分組交換技術(shù)是ATM異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode)，它是建立在電路交換與分組交換基礎(chǔ)上的一種新的交換技術(shù)，并由基于光纖網(wǎng)絡(luò)的B-ISDN寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)所采用：用戶主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)通過ATM交換結(jié)點(diǎn)再與光纖數(shù)字網(wǎng)絡(luò)相連。
ATM異步傳輸模式的主要特點(diǎn)如下：
1). 模式中的分組稱為信元(Cell)，其長度是固定的，由5個(gè)字節(jié)首部和48個(gè)字節(jié)的信息字組成，因此在各結(jié)點(diǎn)可采用硬件對信元進(jìn)行處理，而縮短信元處理時(shí)間
2). 交換設(shè)備可按網(wǎng)絡(luò)最大速度設(shè)置，而不同類型的服務(wù)可復(fù)用在一起，各通信信道對應(yīng)信元根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小按先到先服務(wù)的原則占用各分時(shí)段，速率高的信源占用較多時(shí)段，因而可支持各種業(yè)務(wù)的不同速率
3). 保留電路交換以滿足傳輸從語音到高清晰度電視圖像等各種實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的業(yè)務(wù)需要
利用光纖通信誤碼率低的優(yōu)點(diǎn)將差錯(cuò)控制由數(shù)據(jù)鏈路層改到高層，而提高信元在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率。
