2.2 数据通信的基本概念

2.2.1 数据与信号

数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。例如十进制数、二进制数、字符等。

信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述。例如电压、磁场强度等。简单地讲信号就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。

2.2.2 数字信号与模拟信号

数字是与离散相对应的。数字数据取某一区间内有限个离散值，数字信号取几个不连续的物理状态来代表数字。数据通信中，数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号。

模拟信号是一个连续变化的物理量。数据通信中，模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的。

按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。

下图2-4为模拟信号与数字信号波形。

2.2.3 带宽

带宽（bandwidth）：是指某个信号具有的频带宽度。是指该信号的各种不同频率成分所占据的频率范围，带宽的单位是赫（或千赫、兆赫等）。例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽3.1kHz（从300Hz～3.4kHz，即话音的主要成分的频率范围）。表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽（或通频带）（传输模拟信号）。在过去很长的一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号，因此，表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽。

当通信线路用来传送数字信号时，数据率（数字信道传送数字信号的速率）是数字信道最重要的指标。单位就是“比特每秒”，或b/s（bit/s）”，千比每秒kb/s、兆比每秒Mb/s（106b/s）、吉比每秒Gb/s（109b/s）或太比每秒Tb/s （1012b/s）。

但习惯上，人们愿意将“带宽”作为数字信道的“数据率”的同义语。

现在人们常用更简单的并且是很不严格的记法来描述网络或链路的带宽，如“线路的带宽是10M或10G”，而省略了后面的b/s，它的意思就表示数据率（即带宽）为10Mb/s或10Gb/s。

正是因为带宽代表数字信号的发送速率，因此，带宽有时也称为吞吐量（throughput）。在实际应用中，吞吐量常用每秒发送的比特数（或字节数、帧数）来表示。

在实际上网应用中，下载软件时常常看到诸如下载速度显示为128kb（KB/s）,103KB/s等等，因为一般下载软件显示的是字节每秒，要通过换算，才能得实际带宽值。

1Mb/s= 106b/s =（106/8）B/s =（106/8/1024）KB/s ≈ 122 KB/s

理论上：2M（即2Mb/s）宽带理论速率是：244KB/s（即2048Kb/s），实际速率大约为80～200KB/s; （其原因是受用户计算机性能、网络设备质量、资源使用情况、网络高峰期、网站服务能力、线路衰耗，信号衰减等多因素的影响而造成的）。4M（即4Mb/s）的宽带理论速率是488KB/s，实际速率大约为200～440KB/s。

2.2.4 时延

时延（delay或latency）是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。

时延由发送时延、传播时延、处理时延组成：

发送时延是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延又称为传输时延，它的计算公式是：

发送时延=

信道带宽就是数据在信道上的发送速率。

传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。传播时延的计算公式是：

传播时延=

电磁波在自由空间的传播速率是光速：3.0×105km/s。

电磁波在铜线电缆中的传播速率约为2.3×105km/s，

在光纤中的传播速率约为2.0×105km/s。

信号传输速率（即发送速率）和电磁波在信道的传播速率是两个完全不同的概念，因此不能将发送时延和传播时延弄混。

处理时延是数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。在结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。因此，处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。有时可用排队时延作为处理时延。

数据经历的总时延：总时延=传播时延+发送时延+处理时延

注意：提高链路的带宽只是减少了数据的发送延迟，与传播延迟和链路带宽无关。

2.2.5 数据传输类型

不论两台计算机是直接通信还是存储转发，从本质上说都是两台计算机通过一条通信信道相互通信的。数据在计算机中以离散的二进制数字信号表示，在数据通信过程中有两种不同的表示方式（取决于信道所允许的传输类型）：

（1）数字信号方式：为解决收发双方同步问题和实现中的技术问题，需将数字信号进行波形变换；

（2）模拟信号方式：需在发送端和接收端进行调制（将数字信号变为模拟信号）和解调（将模拟信号变为数字信号）。设备：MODEM。

2.2.6 数据通信方式

（1）串行通信与并行通信（按字节使用的信道数分）

串行通信：将待传送的字符的二进制代码按由低位到高位的顺序，依次发送。（仅用一条信道）

并行通信：将表示一个字符的8个二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去。

对于远程通信来说，串行通信速度慢，但造价低。并行通信造价高，一般采用串行通信。串行通信与并行通信如图2-5所示。

（2）单工、半双工、全双工通信（按信号传送方向与时间的关系）

单工：信号只能朝一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。

半双工：信号可以双向传输，但必须交替进行，一个时间只能朝一个方向传送。

全双工：信号可以同时双向传送。

单工、半双工与全双工通信如图2-6所示。

2.2.7 同步技术

同步是指通信双方在时间基准上保持一致。

2.2.7.1 位同步（bit synchronous）

要求接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率，来矫正自己的时间基准与时钟频率。实现方法：

（1）外同步：在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收方根据同步时钟信号来进行校正，实现双方同步；

（2）内同步：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟。

2.2.7.2 字符同步（character synchronous）

保证收发双方正确传输字符的过程。如：发送端以8位为一个字符单元发送，接收端也以8位为字符单元接收。

实现方法：

（1）同步式（同步传输）

将字符组成组，以组为单位连续传输，在每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符。即使接收端的每一位数据信息都要和发送端准确地保持一致。（组间组内都要同步，数据字符的起止根据SYN字符来，如图2-7所示）

（2）异步式（异步传输）

每个字符作为一个整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的，但在一个字符时间之内，收发双方各数据位必须同步。又称起“止式同步方式”。为了实现字符同步，每个字符的第一位前加1位起始位，字符的最后一位后加1、1.5、或2位终止位（如图2-8所示）。