第2章 資料通行基礎

2.1 資料通訊的基本概念

• 資料通訊是兩個實體間的資料傳輸和交換，把處在不同位置的終端和計算機，或計算機與計算機連線起來，從而完成資料傳輸、資訊交換和通訊處理等任務。

2.1.1 資訊和資料

1. 資訊

   • 資訊是對客事物的反映，可以是對物質的形態、大小、結構、效能等全部或部分特性的描述，也可以表述物質與外部的聯絡。

2. 資料

   • 資訊可以用數字的形式來表示，數字化的資訊稱為資料。資料是資訊的載體，資訊則是資料的內在含義或解釋。

2.1.2 通道和通道容量

1. 通道

   • 通道是傳送訊號的一條通道，可以分為物理通道和邏輯通道。物理通道是指用來傳送訊號或資料的物理通路。邏輯通道也是指傳輸資訊的一條通路，但在訊號的收、發節點之間並不一定存在與之對應的物理傳輸介質，而是在物理通道基礎上，由節點裝置內部的連結來實現。

   • 通道按使用許可權可分為專業通道和公用通道；按傳輸介質可分為有線通道、無線通道、衛星通道；按傳輸訊號的種類可以分為模擬通道和數字通道等。

2. 通道容量

   • 通道容量是指通道傳輸資訊的最大能力，通常用資訊速率來表示。單位時間內傳送的位元數越多，則資訊的傳輸能力也就越大，表示通道容量越大。通道容量由通道的頻帶（頻寬）、可是用的時間能通過的訊號功率和噪聲功率決定。

2.1.3 碼元和碼字

• 在數字傳輸中，有時把一個數字脈衝成為一個碼元，是構成資訊編碼的最小單位。將計算機網路傳送中的每一位二進位制數字稱為“碼元”或“碼位”。

2.1.4 資料通訊系統主要技術指標

1. 位元率

   • 位元率是一種數字訊號的傳輸速率，它表示單位時間內所傳送的二進位制程式碼的有效位（bit）數，單位用位元每秒（bps）或千位元每秒（kbps）表示。

2. 波特率

   • 波特率是一種調製速率，也稱波特率。它是針對在模擬訊號上進行數字傳輸時，從調變解調器輸出的調製訊號，每秒鐘載波調製狀態改編的次數。其單位為位元（Baud）。

3. 誤位元速率

   • 誤碼指資訊傳輸的錯誤率，也稱錯誤率，是資料通訊系統在日常工作情況下，衡量傳書可靠性的指標。

4. 吞吐量

   • 吞吐量是單位時間內整個網路能處理的資訊總量，單位是位元組/秒或為/秒。在單通道匯流排型網路中：吞吐量=通道容量*傳輸效率。

5. 通道的傳播延遲

   • 訊號在通道中傳播，從信源管端到達信宿端需要一定的時間，這個時間稱為傳播延遲（或時）

2.1.5 頻寬與資料傳輸速率

1. 通道頻寬

   • 通道頻寬是指通道所能傳送的訊號頻率寬度，它的值為通道上可傳送訊號的最高頻率與最低頻率之差。

2. 資料傳輸速率

   • 資料傳輸速率是指單位時間內通道內傳輸的資訊量，即位元率。一般來說，資料傳輸速率的高低由傳輸每1位資料所處時間決定，傳輸每1位資料所佔時間越小，則傳輸速率越高。

2.2 資料傳輸方式

• 在資料通訊系統中，通訊通道為資料的傳輸提供了各種不同的通路。

2.2.1 資料通訊系統模型

• 資料通訊系統的一般結構模型，它是由資料終端裝置（DTE）、資料線路端接裝置（DCE）和通訊線路等組成。

1. 資料終端裝置

   • 資料終端裝置（Data Terminal Equipment，DTE）是指用於處理使用者資料的裝置，是資料通訊系統的信源和信宿。因為這種裝置代表通訊鏈路的端點，所以稱為資料終端裝置。它是資源子網的主體，通常的DTE就是一臺具有處理資料的計算機，但它發出的訊號並不能直接送達需要藉助DCE才能實現。

2. 資料線路端接裝置

   • 資料線路端接裝置（Data Circuit Terminating Equipment，DCE）又稱為資料通訊裝置（Data Communication Equipment），是介於DTE與傳輸介質之間的裝置，用於將DTE發出的數字訊號轉換成適合在傳輸介質上傳輸的訊號形式，並將它送至傳輸介質上；或者將從傳輸介質上接受的得遠端訊號轉換為計算機能接收的資料訊號形式，並送往計算機，例如Modem等。

2.2.2 資料線路的通訊方式

• 根據資料資訊在傳輸線上的傳輸方向，資料通訊方式有單工通訊、半雙工通訊、全雙工通訊。

1. 單工通訊

   • 在單工通訊方式中，資訊只能在一個方向上傳送。

2. 半雙工通訊

   • 半雙工通訊的雙方可交替地傳送和接收資訊，但不能同時傳送和接收。

3. 全雙工通訊

   • 全雙工通訊的雙方可以同時進行雙向的資訊傳輸。

2.2.3 資料傳輸方式

• 按照資料在傳輸線上市原樣不變地傳輸還是調製變樣後再傳輸，資料傳輸方式可分為：基帶傳輸、頻帶傳輸、寬頻傳輸等。

1. 基帶傳輸

   • 在資料通訊中，表示計算機中二進位制資料位元序列的數字資料訊號是典型的矩形脈衝訊號。人們把矩形脈衝訊號的固有頻帶稱為基本頻帶，簡稱基帶。

   • 基帶傳輸是一種最基本的資料傳輸方式，一般用在較近距離的資料通訊中。在計算機區域網中，主要就是採用這種方式傳輸。

2. 頻帶傳輸

   • 基帶傳輸要佔據整個線路能提供的頻帶範圍，在同一個時間內，一條線路只能傳輸一路基帶訊號。為了提高通訊鏈路的利用率，可以用佔據小範圍頻寬的模擬訊號作為載波來傳送數字訊號。

   • 常用的頻帶調製方式有頻率調製、相位調製、幅度調製、調幅加調相的混合調製方式。頻帶傳輸克服了電話線上不能直接傳送基帶訊號的缺點，提高通訊線路的利用率，尤適用於遠距離的數字通道。

3. 寬頻傳輸

   • 在同一通道上，寬頻傳輸系統既可以進行數字資訊服務也可以模型資訊服務。計算機區域網採用的資料傳輸系統由基帶傳輸和寬頻傳輸兩種傳輸方式，基帶傳輸和寬頻傳輸的主要區別在於資料傳輸速率不同。一個頻寬通道能被劃分為許多個邏輯通道，從而可以將各種聲音、影象和資料資訊傳輸綜合在同一個物理通道中進行。

2.3 資料交換技術

• 在計算機網路中，傳輸系統的裝置成本很高，所以當通訊使用者較多而傳輸的距離較遠時，通常採用交換技術，使通訊傳輸線路為各個使用者所共用，以提高傳輸裝置的利用率，降低系統費用。通常使用三種交換技術：電路交換、報文交換、分組交換。

2.3.1 電路交換

• 在電路交換（Circuit Exchanging）方式中，通過網路節點（交換裝置）在工作站之間建立專用的通行通道，即在兩個工作站之間建立實際的物理連線。同性過程可分為三個階段：電路建立階段、資料傳輸階段和拆除電路連線階段。

2.3.2 報文交換

• 報文交換（Message Exchanging）與電路交換不同，它採取的是“儲存-轉發”（Store-and-Forward）方式，不需要在通訊的兩個節點之間建立專用的物理連線。資料以報文（Message）的方式發出，報文中除包括使用者要傳送的資訊外，還有原地址和目地地址等資訊。

2.3.3 分組交換

• 分組交換（Packet Exchanging）也屬於“儲存-轉發”交換方式，但它不是以報文為單位，而是以長度受到限制的報文分組（Packet）為單位進行傳輸交換的。分組的最大長度一般規定為一千位元。進行分組交換時，傳送節點先要對傳送的資訊分組，每個分組中的資料不一定相同，但都必須小於規定的最大長度。還要對各個資料加上編號，加上源地址和目的地址以及約定的頭和尾等其他控制資訊。這個分組的過程稱為資訊打包。分組也稱為資訊包和包交換。

• 分組在網路中傳輸，還可以分成不同的兩種方式：資料報和虛電路

  1. 資料報（Data Gram）

     • 這種方式有點想報文交換。報文被分組後，在網路中的傳播路徑是完全根據當時的通訊狀況來決定的。由於報文被分成許多組，每一組的路徑可能是不同的所需要的時間也不同，但是所有組的目標主機是相同。目的主機必須對分組進行排序拼接出原來的資訊。

     • 資料報傳輸分組交換方式的優點是：對於短報文資料，通訊傳輸速率比較高，對網路故障的適應能力強：而它的缺點是傳輸時延較大，時延離散度大。

  2. 虛電路（Virtual Circuit）

     • 所謂虛電路就是兩個使用者的終端裝置在開始互相傳送和接收資料之前，需要通過通訊網路建立邏輯上的連線。

     • 一旦這種連線建立後，就在通訊網保持已建立的資料通路，使用者傳送的資料將按順序通過新建立的資料通路到達終點，而當用戶不需要傳送和接收資料時可清除這種連線。

     • 虛電路傳輸分組交換的優點是：對於資料量較大的通訊傳輸速率高，分組傳輸延時短，且不容易產生資料分組丟失。而它的缺點：對網路的依賴性較大。

2.3.4 信元交換技術

• 信元交換技術是指非同步傳輸模式（Asynchronous Transfer Mode,ATM），它是一種面向連線的交換技術，它採用小的固定長度的資訊交換單元（信元），話音、視訊和資料都可由信元的資訊與傳輸。他綜合吸取了分組和電路交換的優點，針對分組交換的弱點，利用電路交換完全與協議處理魚館的特點，通過高效能的硬體裝置來提高處理速度，以實現高速化。ATM技術是克服了電路和分組交換的侷限性的基礎上產生的。ATM技術十分複雜，但對有高頻寬要求和高階服務質量（QoS）需求的使用者，ATM是一種廣域網主幹線的最好選擇。

• ATM模型分為三個功能層：ATM物理層、ATM層和ATM適配層。

  1. ATM物理層：ATM物理層是控制資料位在物理介質上的傳送和接收。另外，它還負責跟蹤ATM訊號邊界，將ATM信元封裝成型別和大小都合適的資料幀。

  2. ATM層：主要負責建立虛連結並通過ATM網路傳輸ATM信元。

  3. ATM適配層：主要任務是在上層協議處理所產生的資料單元和ATM信元之間建立一種轉換關係。同時適配層還要完成資料包的分段和組裝。

• 建立連線，資料從應用層向下傳輸到ATM適配層，將資料分成定長的48B，並適配到底層的ATM服務上。ATM標準化組織ATM Forum 已經定義了若干不同的ATM適配型別，將定長的資料傳輸到ATM層新增5B的信元頭，構成一個53B的信元。信元到達目的地址後從物理層向上傳遞到ATM適配層將48B的定長資料在進行組裝，向高層傳遞。在交換通路某一箇中間結點上，點個信元都是根據信元頭的內容進行交換的。

2.4 差錯檢驗與校正

• 計算機網路的基礎要求是高速而且無差錯的傳輸資料資訊，而通訊系統主要由一個個物理實體組成。每個在執行中，也會受到周圍環境的影響，因此，一個通訊系統無法做到無美無瑕，需要考慮如何發現和糾正訊號傳輸中的差錯。

• 資料傳輸出現差錯有多種原因，一般分為內部因素和外部因素：內部因素有噪音脈衝、脈動噪音、衰減、延遲失幀等；外部因素有電磁干擾、太陽噪音、工業噪音等。為了確保無差錯傳輸資料，不需具有檢錯和糾錯的能力。

2.4.1 奇偶校驗

• 奇偶校驗是一種最簡單的檢錯方法。是在資料的最後加上以為奇偶校驗位，接收器檢查接收到的資料的最後檢視是否是奇數或偶數，來判斷是否錯誤情況。若有兩個資料同時錯誤將無法查出錯誤。

2.4.2 迴圈冗餘校驗

• 迴圈冗餘校驗（Cyclic Redundancy Check ,CRC）是一種較為複雜的校驗方法，又稱多項式碼。這種編碼對隨機差錯和突發差錯均能以較低的冗餘度進行嚴格的檢查，有很強的檢錯能力。它是利用事先生成的一個多項式g(x)=x^16+x^12+x^5+1去除要傳送的資訊多項式m(x)，得到餘式就是所需的迴圈冗餘校驗碼，它相當於一個16位長的雙字元。它將傳送的資料後附加若干個校驗位。接收端接收時先去除同一多項式，去除出錯則資料錯誤。

2.5 多路複用技術

• 多路複用技術能把多個訊號組合在一條物理通道上傳輸，使多個計算機或終端裝置共享通道資源，提號通道的利用率。

2.5.1 頻分多路複用

• 頻分多路複用(FDMA)是將具有一定寬頻的通道分成若干個有效小頻帶的子通道，每個子通道供一個使用者使用。這用，在通道中就可以同時傳輸多個不同頻帶的訊號。沒分開的各個子通道的中心頻帶互不重合，且各個通道之間留有一定的空閒頻帶。

2.5.2 時分多路複用

• 時分多路複用（TDMA）是將一條物理通道的傳輸時間分成若干個時間片輪流的給多個訊號使用。時分多路複用技術實現的條件是，通道能達到的資料傳輸速率超過各路訊號源所要求的資料傳輸速率。

2.5.3 波分多路複用

• 波分多路複用（WDMA）主要用於由全光纖網組成的用資訊系統中。所謂波分多路複用，是指在一根光纖上能夠同時傳輸多個不同波長光載波的複用技術。

2.5.4 碼分多路複用

• 碼分多路複用（CDMA）是一種用於移動通訊系統的新技術，一個數字助理（PDA）以及手提電腦（HPC）等移動計算機的聯網通訊將會大量使用碼分多路複用技術。

• 碼分多路複用技術的工作是基於碼型分割通道。每個使用者分配有一個地址碼，而這些碼型互相不重疊，其特點是頻率和時間資源均為共享。在頻率和時間資源緊缺的情況下，碼分多路複用技術可以很好的解決問題。