一点点了解数据通信，数据通信原理介绍(上)

数据通信对现代通信具有较强意义，对于数据通信，小编在往期文章中有所阐述。为增加大家对数据通信的了解，本文将对数据通信原理予以介绍。

数据通信讨论的是从一个设备到另一个设备传输信息。协议定义了通信的规则，以便发送者和接收者能够协调他们的活动。在物理层上，信息被转换成可以通过有线媒体(铜线或光缆)或无线媒体(无线电或红外线传输)传输的信号。高层协议则定义了传输信息的封装、流控制和在传输中被丢失或破坏信息的恢复技术。

1.通信协议

可以将通信协议比喻成外交大使馆中使用的外交协议。各种级别的外交官们负责处理不同类型的协议。他们与其他大使馆同等级别的外交官进行联系。同样，通信协议也有一个分层的体系结构。当两个系统交换数据时，每层中协议互相通信以处理通信的各个方面。

图示 分层网络结构示意简表

很久以前，ISO(国际标准化组织)于1979年开发了OSI (开放系统互连)模型。该模型采用分层结构，把网络协议分为七个层次，由下向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。模型中规定了各层的功能及其与相临层的接口。按照"开放系统OSI互连参考模型"设计和组建的网络是彼此开放和可以互连的，从而可以保证世界各地的网络连为一体。尽管OSI模型从未成为流行的标准，但是它仍用于描述协议分层。

2.物理层传输媒体和信号

通信系统由传输媒体和它所连接的设备组成。媒体可以是有向的或无向的。其中有向媒体是指金属电缆或光缆，而无向媒体是指无线传输。

涉及数据传输的设备可以是发送器、接收器减兼有这两种功能的设备。如果一个系统只进行传输而另一个系统只进行接收，则该链路称为单工。如果两个设备都可以发送和接收，但是，一时间只能有一个设备进行，则这种链路称为半双工。全双工链路则允许两个系统同时进行发送和接收。

网络通信可以采取一对一传输、一对多或多对多传输的形式。连接两个设备的通信系统称为点对点系统。而共享系统则连接可以在同一媒体上进行传输的的很多设备(但一时间只有一个设备能进行传输)。

图示 共享信息系统和点对点信息系统

与点对点系统相比，端对端链路指跨越多个链路的两个系统之间的链路。上图中的系统A和系统Z之间的链路就是端对端链路。

多路复用指通过单个链路发送多个传输的技术。通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的。在TDM(时分复用)系统中，每个信道由时隙流中的周期时隙定义。在FDM(频分复用)系统中，每一个信道占用一个特定的频率。在数据分组交换和信元交换系统中，各个数据分组或信元在网络中穿行，与汽车在高速公路上行驶类似。

3.模拟和数字信号

设备使用适配器(产生用于通过某些媒体传输数据的信号)被连接到传输媒体中。模拟通信系统传输的是幅值和频率随时间连续变化的模拟信号。这些正弦波信号频率的度量单位是每秒的周期数，或Hz(赫兹)。而数字通信系统则使用离散的高和低的电压值来表示数据信号。

带宽表示通信信道的信息传送能力。信道可以是模拟或数字的。对于数字系统，容量这个术语指它的信息传送能力，通常以信道的数据传输速率或线速表示。吞吐量是与系统规定性能相对立的系统“实测”性能。吞吐量考虑了由阻塞、硬件低效和传输距离而导致的延迟。

随着Internet的日益普及，网络用户访问Internet的需求在不断增加，一些企业也需要对外提供诸如WWW页面浏览、FTP文件传输、DNS域名解析等服务，这些因素会导致网络流量的急剧增加，而流量管理作为内外网之间的数据通道，如果吞吐量太小，就会成为网络瓶颈，给整个网络的传输效率带来负面影响。

调制解调器(调制器/解调器)是一种可用于通过模拟传输线路传输数字信号的设备。在传输的两端都需要调制解调器，以对信号进行调制，然后再解调。如下图所示，发送端调制解调器将数字信号转换成模拟信号，然后接收端调制解调器又将模拟信号转换成离散的数字信号。

图示 数字-模拟-数字转换

在通过模拟系统传输数字数据时，频率越高，数据速率越高。下图阐释了这种现象的原因。在图A中，频率较低，因此在模拟传输中移动离散数字信号就比较困难。注意，此时离散信号没有很好地表示出来，这将会导致在接收端的失真。在图B中，带宽要高很多因此能更好地表示离散数字信号，并且没有失真。

图示 表示模拟传输的离散数字信号

4.同步传输和异步传输

并不是所有的传输都是稳定的字符流。由很多开始和停止组成的传输是异步传输。异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。

假设回到20世纪60年代，用户坐在连接到大型计算机的哑终端前。当键入时，每个字符通过异步链路传输到计算机中。如果您暂停输入，则计算机就暂停传输。这是因为系统是以异步方式操作的，接收器不能指望稳定的比特流。它将在任意时间等待进一步的传输并在传输停止时不能以为链路己经被中断。

与之相反，同步传输是以一个长的比特串为特征，其中比特串中的每个字符都用定时信号分隔。同步传输时，为使接收方能判定数据块的开始和结束,还须在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾,加有帧头、帧尾的数据称为一帧(Fram)。帧头和帧尾的特性取决于数据块是面向字符的还是面向位的。

这两种传输类型都普遍用于通过电话线路或其他信道连接的计算机系统。选择这两种类型的哪一种取决于装置的不同。实际上，为用户提供异步操作的调制解调器可以转换为扩展传输的同步模式。同步传输技术设计用于连续的数据传输，而异步传输技术更适用于个人用户会话。

5.串行接口

串行接口，简称串口，也就是COM接口，是采用串行通信协议的扩展接口。串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps～230kbps，串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备，目前部分新主板已开始取消该接口。

需要标准接口将通信设备(如调制解调器)连接到计算机上。最常见的用于调制解调器的接口是最初称为RS-232的EIA-232标准。在这种标准中，计算机或其他类似的设备称为DTE(数据终端设备)，而类似于调制解调器的设备称为DCE(数据电路终接设备)。接口连接器具有与其相对应的连接器相连的多条导线。每个引脚代表一个数据传输的信道或发送的特定控制信号。例如，有一个请求要发送到线路上，DTE用它给出想进行发送的信号。DCE向线路发送清除信号以表示它已经准备好接收。

6.传输媒体

有很多传输媒体，包括铜线电缆、光缆和无线系统。媒体受衰减(信号远距离传输损耗)、失真、背景噪声和其他因素的影响。通信系统的设计者在设计网络系统，如以太网、令牌环、FDDI(光纤分布数据接口)和其他系统时要考虑所有这些因素。因此，网络必须在它们的规范内建立以避免这些问题。

在不可能使用导线线路的情况下，计算机数据可以通过RP(无线电频率)或光线(通常是红外线)进行传输。这些传输发生在一个单独的房间或跨越城镇的发送器和接收器之间。在需要设置跨越道路、河流和物理空间(通常是指不能敷设电缆的地方)的链路时，无线网络为校园和商业园区环境提供了惟一的解决方案。地面微波系统可在建筑物和塔顶端看到。光网络和卫星通信系统提供了其他解决方案。