2.3 通信平台
从20世纪后期开始，计算机科学与数据通信技术逐渐融合，在技术、产品和应用等方面都表现出新的特点。首先，数据处理设备和数据通信设备之间不再有本质的区别。其次，数据通信、语音通信和视频通信之间也不再存在本质的区别；同时，局域网、城域网和广域网之间的区别，有线网络和无线网络的区别也日趋模糊。这些趋势导致新的计算机通信系统集成化和标准化程度更高，能够传输和处理分布在世界各地的各种类型的数据和信息，为用户提供的服务也越来越丰富和完善。
本节及下一节将对数据通信及计算机网络的基本知识做简要的介绍，为读者进一步学习管理信息系统中的网络知识打下基础。
2.3.1 数据通信系统
1．数据通信的概念
数据通信 (data communication)的概念是相对于电报通信、电话通信等传统的通信形式提出的。它是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务，可实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的二进制数据信息 (比如字符、文本、图片、多媒体文件等)的传递。数据通信系统的模型如图2—4所示。
图2—4 数据通信系统模型
该模型中包含以下要素。
(1)源点。源点设备包括个人电脑、工作站等数字设备，可以生成传输的数据。
(2)发送器。通常，源系统生成的数据不会以它最初生成时的格式直接传输，而是通过一个发送器将这些信息转化并编码成能够在某些传输系统中进行传输的其他形式的信号，如电磁信号、光信号等。
(3)传输系统。指源点与终点之间的数据传输通道，可以是一根单独的传输线，也可以是复杂的网络系统。
(4)接收器。接收来自传输系统的信号，并将其转化为能够被终点处理的信息。
(5)终点。获取来自接收器的数据。
2．数据通信的方式
图2—4中显示的是单向数据通信系统的模型。从通信双方的信息交互方式来看，通信过程可以有三种不同的方式。
(1)单向通信。又称单工通信，即只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播就属于这种类型。
(2)双向交替通信。又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送 (或同时接收)，这种通信方式往往是一方发送另一方接收，如无线对讲机系统。
(3)双向同时通信。又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息，电话网、计算机网络均属于全双工通信系统。
计算机所能识别和处理的是以字节 (byte)为最小单位的二进制数据，一个字节由8位 (bit)二进制数构成，在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间、计算机与计算机之间，如果按传输二进制数时的时空顺序划分，可分为并行通信和串行通信两种通信方式。
(1)并行通信。并行通信为一个字节的每一个 bit (位)都设置一个传输通道，所有bit (位)同时进行传送。并行通信模式传输速度快，但消耗材料多，造价高，所以不适用于长距离的传输。一般只在计算机内部元器件之间采用并行传输方式，如计算机存储器的总线传输。
(2)串行通信。串行通信只为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中每一个bit (位)依次在这条通道上传输。串行通信可以节省设备线路费用，但速度比并行通信慢，一般应用于长距离数据传输。比如，计算机与键盘、鼠标、打印机等外围设备间的数据传送，以及更远距离的通信过程。在计算机设备中常用的 RS2 3 2接口和USB接口就属于串行通信的接口方式。串行通信还可以细分为异步串行通信和同步串行通信两种形式。
3．数据通信系统的功能
完整的数据通信系统必须完成的一些关键任务如表2—2所示。
表2—2 通信系统的必要功能
2.3.2 数据传输的基本知识
1．数据传输的信号
数据在数据通信系统中传输，首先要变成适宜在传输系统中传播的信号(signal)。信号中包含了所要传递的消息，通常以电磁或光的形式存在。信号一般以时间为自变量，以表示数据信息的某个参量 (振幅、频率或相位)为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。
(1)模拟信号。模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的(如图2—5 (a)所示)。传统的电视图像信号、电话语音信号、各种传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号。
图2—5 模拟信号与数字信号
(2)数字信号。数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号，如图2—5 (b)所示，数字信号的因变量的状态是有限的。计算机数据、数字电话和数字电视等都是数字信号。虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并不存在不可逾越的鸿沟，在一定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号，数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。
2．编码方式
数字通信系统的任务是在源点和终点间传递数字数据，而在传输系统中传输的既可以是模拟信号，也可以是数字信号。由数据转换成信号的过程称为编码(coding)。编码方式的选择以优化使用传输媒体为原则，比如节省带宽、减小差错率、充分利用已有网络等。
通信系统的编码方式共有模拟数据的模拟信号编码、数字数据的模拟信号编码、数字数据的数字信号编码和模拟数据的数字信号编码四种。这里我们重点介绍数字通信系统中主要存在的两种编码方式：数字数据的数字信号编码和数字数据的模拟信号编码。
(1)数字数据的数字信号编码。把二进制数据的0和1用离散、非连续的电压脉冲序列来表示。常见的编码机制如图2—6所示。
图2—6 数字数据的数字信号编码
1)不归零制电平。1用低电平表示，0用高电平表示。
2)不归零1制。在间隔的起始位置跳变表示1，在间隔的起始位置不跳变表示0。
3)曼彻斯特编码。在间隔的中间位置从高向低跳变表示0，在间隔的中间位置从低向高跳变表示1。
4)差分曼彻斯特编码。在间隔的中间位置总是有一个跳变，在间隔的起始位置跳变表示0，在间隔的起始位置不跳变表示1。
(2)数字数据的模拟信号编码。在数据通信系统诞生前，公用电话网络已经形成非常大的规模。使用电话网是为了传输300Hz~3 400Hz 范围内的模拟话音信号，不能直接传输数字信号。为了充分利用已有的模拟电话网进行数字通信，数字设备需要通过调制器和解调器与网络相连：在源点，调制器将数字数据转换成模拟信号，称为调制；在终点，解调器将模拟信号转换成数字数据，称为解调。数字数据的模拟信号编码也就是调制的过程，是利用作为数据载体的模拟信号 (载波)的三个属性——振幅、频率及相位——来表示二进制数据的0和1，相应的编码方案有幅移键控 (ASK)、频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)三种。
1)幅移键控。二进制的0和1分别用载波信号的不同振幅值来表示，载波存在代表1，载波不存在表示0。
2)频移键控。由载波信号不同的两个频率分别表示0和1。
3)相移键控。由载波信号不同的相位偏移来表示0和1。
图2—7是这三种编码方式的示意图。
图2—7 数字数据的模拟信号编码
2.3.3 传输媒体
传输媒体指的是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理信道，可分为导向和非导向两类。在这两种情况下，通信都是以电磁波的形式进行的。对于导向媒体，电磁波由导线引导沿某一物理路径前进，如双绞线、同轴电缆和光纤；非导向媒体主要指无线传播，不限定电磁波的传播方向，如空气、真空和海水的传播等。这里仅从物理特性、应用领域两方面对常用的几种传输媒体进行介绍。
1．双绞线
双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，按规则的螺旋状绞合在一起成为一对线，作为一条通信链路使用。双绞线既可以传输模拟信号 (如在电话网上的语音信号传输)，也可以传输数字信号 (如在建筑物内的局域网中用于个人电脑间的传输)。
双绞线的优点是价格低廉、使用方便，但在传输距离、带宽及数据的传输速率上有很大的局限，通常适用于距离较短、速率要求不高的网络。双绞线有无屏蔽 (unshielded twist pair, UTP)的和屏蔽 (shielded twist pair, STP)的两种类型。其中无屏蔽双绞线就是现在大量使用的普通电话线，根据 EIA的分类，主要有三类线、四类线和五类线，无屏蔽双绞线容易受到外部电磁场的干扰；屏蔽双绞线有金属网罩或护皮保护，可以减少电磁干扰，相对价格比较高，使用不方便。
2．同轴电缆
由一根空心的圆柱形外导线和柱体内的一根内导线组成。内导线由规则相间的绝缘环或不导电物质固定；外导线由保护罩或屏蔽罩覆盖。同轴电缆可以用于模拟及数字信号的传输，性能比双绞线优越得多，可以适用于频率更高、数据传输速率更快的环境，在很长一段时间内，同轴电缆在电视广播、长途电话网、局域网中有着广泛的应用。
3．光纤 (光缆)
光纤是一种纤细、柔韧、能传导光线的媒体，通过完全内部反射来传输信号编码的光束。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8~100 μm。若光纤可以使许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这样的光纤就称为多模光纤；若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就称为单模光纤。单模光纤不存在多模传播时产生的失真，具有更好的传输性能。与双绞线和同轴电缆相比，光纤具有以下不可比拟的优势。
(1)容量更大。光纤的带宽和数据传输速率的潜能巨大，可以数百 Gbps 的速率传输几十千米的距离；同轴电缆在传输距离为1千米时的最大实际容量为几百Mbps，而双绞线只有几Mbps。
(2)体积更小，质量更轻。在传输容量大致相同的条件下，光纤比另两种媒体至少细小一个数量级，质量也轻得多。
(3)衰减更小。与同轴电缆和双绞线相比，光纤的衰减大大降低，且在相当长的距离内保持恒定。
(4)隔绝电磁场。光纤系统不受电磁场的影响，因此不怕冲击噪声和串扰等干扰；同时，光纤也不辐射能量，对其他设备几乎没有干扰。光纤很难被搭线窃听，信息不容易泄露。
(5)成本低廉。光纤的成分为二氧化硅，储量丰富，相对于宝贵的铜资源，原材料要便宜得多。
随着光纤及光通信设备制造成本的不断降低，光纤的应用越来越广泛，从长途干线传输、市内干线传输一直到用户环路、局域网，光纤凭借其明显的优势，正在逐步取代金属材质的传输媒体。
4．无线传输介质
无线通信新技术和新应用的不断出现，是现代通信系统的发展趋势。在无线传输中，主要有四个频率范围内的电磁波被使用。
(1)无线电波 (radio)。包括的频率范围在300KHz~30 GHz 之间，方向为全向性，一般的电视和无线电广播、手机就使用这一频段。
(2)微波 (microware)。包括的波长范围在1 mm~1 m 之间，这一波长的电磁波具有比较好的方向性，适用于点对点通信。微波有地面微波通信和卫星微波通信两种形式：地面微波系统可用于长途电信业务，作为光纤通信的备用，移动蜂窝系统也使用微波频率的电磁波。卫星微波通信利用通信卫星作为微波接力站，将多个地面微波通信传送器或接收器连接起来，主要的应用有电视广播、长途电话传输、全球定位系统 (GPS)及各种专用商业网络。
(3)红外线。波长在760nm~1mm 范围之间的红外线，适用于短距离的点对点及多点的通信。红外线只能直线传输或反射，不能穿透不透明的障碍物，各种家用电子产品的遥控设备普遍使用红外线传输控制信号。
(4)蓝牙 (bluetooth)。蓝牙是一种低功率短距离的无线连接技术标准的代称，其目标是实现最大传输距离10米、最高数据传输速度1 Mbps (有效传输速度为721 kbps)的无线传输服务。从本质上讲，蓝牙技术使用微波作为无线传输介质，它工作在频率为2.4 GHz 的微波频段。这一频段的特点是无须通过各国的无线电管理委员会进行分配，专门供工业、科学、医学等领域自由使用。蓝牙技术是由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝五家世界著名的计算机和通信公司最早倡导提出的。它能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。目前，除了笔记本电脑和手机等通信终端以外，蓝牙技术的应用已经拓展到更多的消费电子产品，比如数码相机、摄像机、打印机、电子密钥等。蓝牙技术的使用给人们的生活和工作带来了极大的方便。
2.3.4 带宽的概念
在研究通信系统时我们经常会遇到“带宽”(bandwidth)这一性能指标，但带宽的单位有时用赫兹 (Hz)表示，有时却用比特/秒 (bit/s)表示，所以需要对带宽的概念给出一个更加明确的解释。
早期的电子通信系统都是模拟系统，人们为了定义数据在频域系统中的传递性能，便引进了带宽的概念。当输入的信号频率高到 (或低到)一定程度，使得系统的输出功率为输入功率的一半时，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹。比如在传统的固定电话系统中，从话机终端到交换中心的双绞线，所能提供的通信带宽可以达到2 MHz以上，而需要传送的语音通信信号所使用的是300 Hz~3 400 Hz的频段，所以通信信号使用的带宽约为3 400-300=3.1 KHz。
数字通信系统中带宽的含义完全不同于模拟系统，它通常是指数字系统中数据的传输速率，其表示单位为比特/秒 (bit/s)或波特/秒 (baud/s)。带宽越大，表示单位时间内的数字信息流量也越大；反之则越小。衡量二进制码流的基本单位称为比特，若传输速率为64kb/s，就表示二进制信息的流量是每秒64 000比特。数据信号是通过相应的信道来发送和接收的，信道传输数字信号的能力是固定的，由传输媒质的本身特性所决定。信道的带宽是指信道容量，即信道中传递信息的最大值，单位为比特/秒。由于数字系统中的信道多指逻辑信道，而信道容量又是理论上的最大值 (不可能达到)，因此平时我们使用的“带宽”一词，是指信道中数据的实际传输最高速率。
2.3.5 多路复用技术
在现有的通信系统中，一般来说，正在通信的两个站点不会完全用尽数据链路的带宽，为了提高效率，通常可以让多个通信的双方共享数据链路的带宽容量，这样的技术称为复用 (multiplexing)。复用的常见形式主要有频分多路复用、时分多路复用和码分多路复用三种。
1．频分多路复用
频分多路复用 (frequency division multiplexing, FDM)用于模拟信号传输。通过把多个信号调制在不同的载波频率上，并且使这些载波频率的间距足够大，从而可以在同一介质上实现同时传送多路信号。即为多路信号将信道的可用频带 (带宽)按频率划分为若干互不交叠的频段，其中每路信号只占据一个频段，从而形成许多个子信道 (见图2—8)。在接收端再用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用 (FDM)。FDM最常见的应用实例就是有线电视系统。
图2—8 频分多路复用示意图
对于光纤通信，不同频率 (波长)的多路光线在同一根光纤上传输，也是频分复用的一种形式，但通常称之为波分复用 (WDM)。
2．时分多路复用
时分多路复用 (time division multiplexing, TDM)可用于模拟传输和数字传输。它是将一条物理信道的传输时间分成若干时隙，把这些时隙轮流地分给多个信号源使用，每个时隙仅被一路信号占用 (见图2—9)。
图2—9 时分多路复用示意图
这样，当多路信号准备传输时，一个信道就能在不同的时隙传输多路信号。时分多路复用实现的条件是，信道能达到的最高传输速率必须超过待传输的各路信号的传输速率之和。时分多路复用又可分为固定时分多路复用和统计时分多路复用两种。
3．码分多路复用
码分多路复用 (code division multiplexing, CDM)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，需要为每个用户分配一个地址码，而这些码型又互不重叠，以区分各个用户。信道的频率和时间资源均为各用户共享。因此，在频率和时间资源紧缺的情况下，CDM技术的优势凸显，非常适合在移动通信、无线计算机网络以及移动性计算机联网中使用。新一代移动通信技术标准 CDMA 采用的就是这种复用方式。
2.3.6 异步传输和同步传输
数据通信系统能否可靠而有效地工作，很大程度上依赖于能否很好地实现同步。同步技术是指通信系统中实现收发两端动作统一，保持收发步调一致的技术。其实质就是接收方按照发送方发送信息的重复频率和起止时间来接收数据。
常用数据传输的同步方式有异步式同步 (简称异步)和同步式同步 (简称同步)两种。由此可见，通常所说的异步和同步本质上都属于同步技术，两者的区别在于发送端和接收段的时钟是独立的还是同步的。
1．异步传输
异步数据传输是以字符为单位进行发送，一次传输一个字符，每个字符用5~8比特来表示，在每个字符前面加一个起始码，以指明字符的开始，在每个字符后面加一个停止码，以指明字符的结束，每个字符的发送都是相互独立的；无字符发送时，发送方就一直发送停止码。接收方根据起始码和停止码判断字符的开始和结束，并以字符为单位接收数据。异步传输不需要在发收两端间传输时钟信号，实现简单，但传输效率较低，适用于低速系统。
2．同步传输
同步数据传输以数据块为单位进行发送。每个数据块内包含有多个字符，每个字符可用5~8比特表示，在每个数据块的前面加一个起始标志，以指明数据块的开始，在每个数据块后面加一个结束标志，以指明数据块的结束。接收方根据起始标志和接收标志以数据块为单位进行接收。同步传输方式的传输效率高，费用低，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂；只要在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输整个数据块。同步传输方式适用于高速场合。
2.3.7 数据交换技术
如同人们长途旅行往往会途经多个中转站一样，数据在通信系统的源端和终端之间传送通常也不是只有一条单一的信道，而是需要经过若干中间节点的转接，必须在这些中间节点通过存储—转发的方式传送数据，这就涉及数据交换技术。数据交换技术主要有电路交换、报文交换和分组交换三种类型。
1．电路交换
交换的概念最早来自电话系统。当用户拨号时，电话系统中的交换机在呼叫者的电话与接收者的电话之间建立了一条实际的物理线路，通话链路便建立起来；此后，两端的电话拥有该专用线路，直到通话结束。假如一次电话呼叫要经过若干交换机，则所有的交换机都要完成同样的工作。电话系统的交换方式叫做电路交换(circuit switching)技术。
电路交换技术有两大优点：第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟；第二是一旦线路建立，就被一对用户独占而不会发生用户冲突。电路交换技术的缺点首先是建立物理线路所需的时间比较长。在数据开始传输之前，呼叫信号必须经过若干交换机，只有得到每个交换机的认可，才能最终传到被呼叫方，这个过程常常需要10秒甚至更长的时间 (呼叫市内电话、国内长途和国际长途，需要的时间是不同的)。对于许多应用 (如信用卡消费确认)来说，电路建立时间过长是不划算的。而且，物理线路的带宽是预先分配好的。对于已经预先分配好的线路，即使通信双方都没有数据要交换，线路带宽也不能为其他用户所使用，从而造成带宽的浪费。
2．报文交换
报文交换 (message switching)又称包交换。报文交换不需要事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，先将要发送的数据作为一个整体交给中间交换设备，中间交换设备会将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复，直至将数据发送到目的节点。采用这种技术的网络是存储转发网络，传统的电报系统使用的就是报文交换技术。
在报文交换中，一般不限制报文的大小，这就要求各个中间节点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块。同时，某一数据块可能会长时间占用线路，导致报文在中间节点的延迟非常长 (一个报文在每个节点的延迟时间等于接收整个报文的时间加上报文在节点等待输出线路所需的排队延迟时间)，这使得报文交换不适合交互式数据通信。为解决上述问题，又引入了分组交换技术。
3．分组交换
分组交换 (packet switching)技术是对报文交换技术的改进。在分组交换网中，用户的数据被划分成一个个分组 (packet)，而且分组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存中而不需要存放在磁盘中。同时，由于分组交换网能够保证任何用户都不能长时间独占某传输线路，因而非常适合速率要求高的交互式通信。分组交换已经逐渐取代电路交换和报文交换，成为当前数据通信系统中最主要的交换方式。