-02 通信基础

主要知识点主要知识点

基本概念基本概念 　　　　　　模拟信号与数字信号 　　　　　　模拟信号与数字信号

模拟信号是连续变化的量 数字信号是离散的量

基本概念基本概念 　　　　　　周期信号 　　　　　　周期信号

如果一个信号能在一个可测定的时间内，以同样长短的周期不断重复同一个完整的模式，则称这个信号为周期性信号。

如果一个信号在随时间不断变化的过程中没有任何固定的模式和波形重复出现，则这个信号就是非周期性信号。

周期信号也可以分为周期模拟信号和周期数字信号。

基本概念基本概念 　　　　　　信号的三要素 　　　　　　信号的三要素

信号的三要素是：振幅 A周期 T（或频率 f ）相位 ψ

基本概念基本概念 　　　　　　简单信号和复合信号 　　　　　　简单信号和复合信号

模拟信号可以分为简单信号和

复合信号。

简单模拟信号不能再分解，而

复合信号可以被分解为多个简单信

号。 a)简单信号简单信号

b)复合信号复合信号

基本概念基本概念 　　　　　　数字信号分解 　　　　　　数字信号分解

一个数字信号可以被分解为无

穷多个简单的正弦波（或余弦波）

，这个简单的正弦波（或余弦波）

叫做谐波。

每个谐波都有不同的振幅、频

率和相位。

当在传输介质上发送数字信号

时，其实是在发送多个简单信号。

基本概念 　　　　波特率、比特率与码元

波特率（ Baud Rate）是指单位时间内信号波形所能达到的最大变换

次数，单位为赫兹（ Hz）。信号波形的变换实质上是表示信号的函数发生

了改变，即示正弦谐波的三要素：振幅、频率和相位中的某一元素发生变

化。

单位时间内在信道上传送的数据量（即比特数）称为数据速率，又

称为比特率，其单位为 bps或 b/s。

在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元（ Symbol），一次脉冲

的持续时间称为码元的宽度。码元速率（ Symbol Rate）表示单位时间内

信号波形的最大的变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数。码元速

率即数字信号中的波特率，所以码元速率的单位也为波特。

看图答问

下图是一个典型的正弦波，请问它的波特率是多少？

11秒秒

基本概念 　　　　频谱与带宽

如果一个复合信号可以分解为多个谐波。每个谐波是原信号的分量

，都有振幅、频率和相位三个要素。信号频谱是信号的所有分量的频率的

集合。

带宽（ Broad）是频谱的宽度，即频谱中最高频率与最低频率的差

值。带宽的单位是赫兹（ Hz），与频率的单位相同。

例如，一个周期信号可分解为五个频率为

100Hz、 200Hz、 400Hz、 500Hz和 800Hz的正弦波，则最高频率

fh=800Hz，最低频率 fl=100Hz，带宽 B=fh - fl=800Hz -100Hz=700Hz。

基本概念基本概念 　　　　　　介质带宽与有效带宽 　　　　　　介质带宽与有效带宽

传输介质在传送信号时只能传送某个频率范围内的信号，这个频率范围的宽度便是介质带宽，即介质所能传送信号的最高频率与最低频率的差值。介质带宽是由介质本身所决定的，它是介质的一个物理性质。数字信号与模拟信号的频谱包

括不同振幅的多个（甚至无穷多个）频率。但在传输时不可能传输原始信号频谱的全部频率，而只是传输那些具有重要振幅的分量。这一部分被传输的分量的频率组成的频谱叫做有效频谱，其带宽为有效带宽。

基本概念 　　　　传输模式

基本概念 　　　　通信模式

数据通信理论基础 　　　　　　 　　　　　傅立叶分析

))2cos()2sin((2

)(1

0 ∑∞

=

++=n

nn nftbnftaa

tf ππ

任何正常的周期为 T的函数 f (t)，都可以展开成多个、甚至无限个

正弦和余弦函数。

在通信中的意义是：任何一个周期信号，无论它有多么复杂，总可

以被分解为多个、甚至无限个简单信号。

数据通信理论基础 　　　　　　 　　　　　尼奎斯特定理

当一个无噪音的带宽为 3K Hz的信道传输二进制信号时，其最大数据

传输速率（即比特率）不会超过 6000 bps。

若信号包含八个离散级数，则：

最大数据传输速率 = × ×2 3K log2 = × = 8 bps 6K 3 bps 18K

bps。

尼奎斯特定理用于计算理想信道（无噪音信道）的最大数据传输速

率。

最大数据传输速率 = 2H log2 V bps

H：信道带宽， V：信号有效离散级数

数据通信理论基础 　　　　　　 　　　　　香农公式

在实际情况下，由于信噪比的值太大，通常用分贝（ decibel， dB）

来描述。分贝值与信噪比有如下的关系： = dB 10 log10 /S N

在一条带宽为 3000Hz、信噪比为 30dB的信道中，信道上的最大传输

率不超过 30Kbps。其计算过程如下：

先求出信噪比 /S N ：由 = 30 10 log10 /S N ，得 log10 / = S N 3，所以

/ =S N 103=1000。

最大传输率 = H log2（ 1＋ /S N） = bps 3000 log2（ 1＋

1000） ≈ × . = < bps 3000 9 97 bps 299100 bps 30Kbps

香农公式用于计算有噪声信道的最大数据传输率。

最大数据传输速率 = H log2（ 1＋ /S N） bps

H：信道带宽， /S N：信噪比

同轴电缆主要用两种：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

基带同轴电缆是特性阻抗为 50Ω的同轴电缆，用于数字信号的传输，是局域网中常用的同轴电缆。基带同轴电缆又可分为粗同轴电缆（简称粗缆，如 -RG 8粗缆、 -RG 11粗缆等）和细同轴电缆（简称细缆，如 -RG 58细缆）。

宽带同轴电缆是特性阻抗为 75Ω的同轴电缆，用于传输模拟信号。宽带同轴电缆常用于 CATV（ Community Antenna

Television，有线电视）网络，因此被称为CATV电缆（规格为 -RG 59）。

传输介质传输介质 　　　　　同轴电缆 　　　　　同轴电缆

粗缆适用于大型局域网，它传

输距离长、可靠性高，安装时不需

要切断电缆，只须用夹板装置夹在

计算机需要连接的位置。

细缆安装则比较简单，造价也

较便宜。但安装过程要切断电缆，

两头须装上 BNC接口，然后接在

T型连接器两端。

传输介质传输介质 　　　　　基带同轴电缆 　　　　　基带同轴电缆

类型技术标准

细缆 粗缆

直径 .0 25英寸 .0 5英寸传输距离 185m 500m

接头螺旋形 BNC头

(端接 )T形头 (分接 )

AUI

阻抗 50 Ω 50 Ω

应用类型 10Base2(细缆以太网 )

10Base5(粗缆以太网

)

粗同轴电缆连接方法可见：

:// . . / / / - .http www whkk com DLPP comda comda cpjs htm

双绞线按其保护层外面是否含有金属层，可分为 UTP（ Unshielded

Twisted Pair，非屏蔽双绞线）和STP（ Shielded Twisted Pair，屏蔽双绞线）。

STP在保护层里面套有一层铅箔层，其作用是为了降低外界的电磁干扰。相对于 UTP ， STP的抗干扰能力强，保密性好，不易被窃听，且其传输速率也较快，但 STP的价钱相对要贵一些。

传输介质传输介质 　　　　　双绞线 　　　　　双绞线

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

颜色橙白 橙 绿

白 蓝 蓝白 绿 棕

白 棕

传输媒介 　　　　双绞线的类别

类别 最大传输速度 应 用

1类 2Mbit/s模拟和数字语音 (电话 )通信以及低速的数据传输。

2类 4Mbit/s语音、 ISDN和不超过的 4Mbit/s的局域网数据传输。

3类 16Mbit/s 不超过 16Mbit/s的局域网数据传输。

4类 20Mbit/s 不超过 20Mbit/s的局域网数据传输。

5类 100Mbit/s 100Mbit/s距离 100米的局域网数据传输。

E5类 1000Mbit/s 1000Mbit/s的局域网数据传输

6类 2.4Gbit/s 1000Mbit/s以上的的局域网数据传输。

光纤是光导纤维的简称，是由

纤芯、包层和涂覆层组成的。

光纤的纤芯是由能传播光的石

英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝

；包层是涂在纤芯外的一层折射率

比光纤纤芯低的材料。当入射光以

一定的角度射入纤芯后，会在纤芯

与包层的交界处发生全反射，经过

这样的若干次全反射之后，光线就

损耗极少地到达光纤的另一端。

传输介质传输介质 　　　　　光纤 　　　　　光纤

光线在光纤信道中的传播模式

有两种：多模传播与单模传播。

“ ”模 是指光线的入射角。

多模传播又可分别两种类型：

阶跃模式和渐变模式。

常用多模光纤中主要有 Ala类

/50 125μm和 Alb类 . /62 5 125μm两

种类型。单模光纤的尺寸主要为

/8μm 125μm。

传输介质传输介质 　　　　　光纤 　　　　　光纤

无线电传输

微波传输

卫星传输

红外线传输

激光传输

传输介质传输介质 　　　　　无线传输 　　　　　无线传输

编码与传输

在进行数据通信时，必

须将数据进行编码，转化为数

字信号或模拟信号，以便于在

信道上传输。

由于数据源可以是模拟

数据，也可以是数字数据，所

以共有四种编码方式。

数字－数字编码　　　　　　　　　　　　　　关键问题

直流分量：当传输信号的平均振幅不是零时，这将产生直流分量

（频率为 0的分量）。当信号含有直流分量，它不能由没有处理直流分量

的媒体传输，例如微波或变压器。

同步：当一个信号不发生改变时，接受方无法知晓每比特的开始和

结束。如果传输延时或噪声使信号发生扭曲，将导致接收方无法正确接收

数据。

数字－数字编码　　　　　　　　　　　　　　常见类别

数字－数字编码是用数字信号来表示数字数据，在数字线路中传输

。

脉冲的极性是电压的正负，

单极性编码只使用了电压的一极。

单极性编码实现简单，但它

会出现两个问题：直流分量和同步

控制问题。

数字－数字编码数字－数字编码 　　　　　　　　　　　单极性编码 　　　　　　　　　　　单极性编码

时间

振幅

0

1 1 1 10 0 00

采用两个电压值：正电压与

负电压。

信号的电平是由它所代表的

比特位决定的。正电压代表比特

1，负电压代表比特 0。

减轻了直流分量问题，没有

解决同步控制问题。

数字－数字编码数字－数字编码 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 NRZ-LNRZ-L（（ Non Return-to-Zero-LevelNon Return-to-Zero-Level，，非归零电平编码）非归零电平编码）

0时间

1 1 1 10 0 00

信号电平的一次反转代表比

特 1，没有电平变化代表比特 0。

减轻了直流分量问题。

“解决了传送 ”1 时的同步控

“制问题，但没有解决传送 ”0 时的

同步控制问题。

可以通过进一步的编码（例

如 /4B 5B “编码）解决传送 ”0 时的

同步控制问题。

数字－数字编码数字－数字编码 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 NRZ-INRZ-I（（ Non Return-to-Zero InvertNon Return-to-Zero Invert，，非归零反相编码）非归零反相编码）

0时间

1 1 1 10 0 00

正电平代表比特 1，负电平

代表比特 0。

任何比特间隙的中间，信号

将归零。

减轻了直流分量问题。

解决了同步控制问题。但由

于每个比特位需要两次信号变化，

从而增加了信号占用的带宽。

数字－数字编码数字－数字编码 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 RZRZ（（ Return-to-ZeroReturn-to-Zero，归零编码），归零编码）

0时间

1 1 1 10 0 00

曼彻斯特编码在每个比特间隙中间

的电平跳变来同时代表比特位和同步信

息。

负电平到正电平的跳变代表比特

1，而正电平到负电平的跳变则代表比特

0。（当然，反过来也是可以的，只要通

信双方采用相同的定义规则就可以了）

解决了直流分量问题。

解决了同步控制问题。但由于每个

比特位需要两次信号变化，从而增加了

信号占用的带宽。

数字－数字编码数字－数字编码 　　　　　　　　　　　曼彻斯特编码（ 　　　　　　　　　　　曼彻斯特编码（ Manchester Manchester EncodingEncoding））

时间

1 1 1 10 0 00

0

差分曼彻斯特编码的比特间

隙中间的跳变仅用于携带同步信息

。

每比特的开始位置没有电平

跳变表示比特 1，有电平跳变表示

比特 0。

解决了直流分量问题。

解决了同步控制问题。但由

于每个比特位需要两次信号变化，

从而增加了信号占用的带宽。

数字－数字编码数字－数字编码　　　　　　　　　差分曼彻斯特编码（　　　　　　　　　差分曼彻斯特编码（ Differential Manchester Differential Manchester EncodingEncoding））

0时间

1 1 1 10 0 00

零电平代表二进制 0，正负

电平交替代表比特 1。

解决了直流分量问题。

电平交替变换的比特 1可以

进行同步，但对于连续的比特 0则

没能提供同步机制。

数字－数字编码数字－数字编码 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　 AMIAMI（（ Alternate Mark Alternate Mark

InversionInversion，信号交替反转码），信号交替反转码）

0时间

1 1 1 10 0 00

模拟－数字编码

模拟－数字编码是用数字信号来表示模拟数据，即模拟数据数字化。

既可用于模拟信号的数字传输，也可以用于模拟信号的数字处理

（如数字化音频、数字化视频）。

模拟－数字编码

（编码－解码）

模拟数据（声音） 数字信号

模拟－数字编码最常见的技

术是 PCM，它以 PAM（ Pulse

Amplitude Modulation，脉冲振幅

调制）技术为基础。

PCM技术包括三个独立的过

程：脉冲振幅调制（即采样）、量

化和二进制编码。。

采样密度和量化等级是影响

误差的最关键因素。

模拟－数字编码模拟－数字编码 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 PCMPCM（（ Pulse Code Pulse Code

ModulationModulation，脉冲编码调制），脉冲编码调制）

0时间

振幅

时间

振幅

14.5 15 1111

10 10 1010

10.1 10 1010

12.8 13 1101

5.8 6 0110

14.2 14 1110

13.1 13 1101

7.5 8 1000

15.1 15 1111

3.8 4 0100

11.6 12 1100

量化 编码

（a）模拟数据 （b）PAM技术进行采样

（d）量化结果编码成PCM单元

0

4

8

1215

时间

振幅

5.8

11.614.2 14.513.1

107.5

10.1

15.112.8

3.8

（c）对PAM采样结果进行量化

采样

量化

编码

0

数字－模拟编码

数字－模拟编码是用模拟信号来表示数字数据。

一个正弦波（或余弦波）可由其三要素确定：振幅、频率和相位。

当其中的任一要素改变时（相位改变不为周期的整数倍），其波形就会改

变。利用模拟信号的波形变化，可以用来表示数字数据。

数字－模拟编码

（调制过程）

模拟信号

数字数据

0 1 0 1 1 0 1 0

数字－模拟编码　　　　　　　　　　　　　　主要技术

在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承裁信息信号，这个基波称为

载波信号或载波频率。

接收设备调整自己的接收频率与载波信号一致。

数字信息通过改变载波信号的一个或多个要素（振幅、频率和相位）被调制到载波信

号上。载波信号的波形的改变称为移动键控（ Shift Keying），调制后的信息信号称为调制信

号。

根据载波信号要素的改变方式，数字－模拟编码主要技术有以下四种：

数字－模拟编码

频移键控编码幅移键控编码 相移键控编码

正交调幅编码

数字－模拟编码　　　　　　　　　　　　　　 ASK（ Amplitude Shift Keying，幅移键控）

通过改变振幅的大小来表示二进制 0、 1 的，而频率和相位则保持不变。

ASK编码实现简单，但由于振幅很容易受噪声的影响，故其抗干扰性差。

振幅的等级越多，每次改变时可表示的二进制数据越多。例如：

4个振幅等级，每次改变可以表示 2个比特；

8个振幅等级，每次改变可以表示 3个比特；

2n个振幅等级，每次改变可以表示 n个比特。

数字－模拟编码　　　　　　　　　　　　　　 FSK（ Frequency Shift Keying，频移键控）

FSK是通过改变信号的频率来表示二进制 0、 1的，而振幅和相位则保持不变。

在每个比特时延中信号的频率是一个常数。

由于噪声对频率的影响很小，故 FSK的抗干扰性要比 ASK强些，但由于 FSK技术是

通过改变频率来表示二进制的，因此 FSK技术会受到介质带宽的影响。

数字－模拟编码　　　　　　　　　　　　　　 PSK（ Phase Shift Keying，相移键控）

PSK是通过改变信号的相位来表示二进制 0、 1的，而振幅和频率则保持不变。

相位的等级越多，每次改变时可表示的二进制数据越多。例如：

4个相位等级，每次改变可以表示 2个比特，称为 -4 PSK；

8个相位等级，每次改变可以表示 3个比特，称为 - 8 PSK ；

2n个相位等级，每次改变可以表示 n个比特，称为 2 n - PSK 。

数字－模拟编码　　　　　　　　　　　　　　星座表与星座图

星座表可以用列表的方式记录相移键控的相位值。

星座图可以用坐标的方式记录相移键控的相位值。

-2 PSK

比特 相位

0

1

0

180

（a）星座表 （b）星座图

01

-4 PSK振幅

1001 11

0

00

0.5s

波特率：8Hz 比特率：16bps

时间0

比特 相位

00

01

0

90

（a）星座表

10

11

180

270

0010

01

11

（b）星座图

数字－模拟编码　　　　　　　　 QAM（ Quadrature Amplitude Modulation，正交调幅）

正交调幅编码技术是将幅移键控和相移键控以某种方式结合起来的一种编码技术，以

求得到更多的信号状态。

000100

010

（a）8-QAM星座图

2振幅，4相位

001

111

101

011

110

（b）16-QAM星座图

2振幅，8相位

（c）16-QAM星座图

4振幅，8相位

模拟－模拟编码

模拟－模拟编码是用模拟信号来表示模拟数据。模拟－模拟通信的典型例子就是收听

无线电台的无线电波信号。

使用模拟信号来传输模拟数据仍需要调制的主要原因有两个：一是为了实现传输的有

效性，可能需要较高的频率；二是通过调制就可以使用频分复用技术。

模拟数据的调制技术主要有三种：调幅（ Amplitude Modulation， AM）、调频

（ Frequency Modulation， FM）以及调相（ Phase Modulation， PM）。

模拟－模拟编码

（调制过程）

模拟信号模拟数据

多路复用

为了有效地利用传输系统，把多路信号放在同一个媒体上进行传输，就是多路复用。

多路复用技术主要有三种：

复

用

器

分路

器

一条链路

N条通道N路输入 N路输出

用于模拟信道传输。

在信道的可用频带（带宽）

上同时传输多个频率不同的模拟信

号，每路信号占据其中一个频段。

接收方用适当的滤波器将多

路信号分开，再分别进行解调和终

端处理。

最常见的例子就是有线电视

系统（ CATV）中的信号转输。

多路复用多路复用　　　　　　　　　　　　　　　　 FDMFDM（（ Frequency Division MultiplexingFrequency Division Multiplexing，频分多路复，频分多路复用）用）

可

用

频

段

子信道

子信道

子信道

子信道

间隔

.

.

.

用于数字信道传输。

将使用信道的时间分成一个个

的时间片（时隙），按一定规则将这

些时间片分配给各路信号，每一路信

号只能在自己的时间片内独占信道进

行传输。

时分多路复用技术又分为同步

时分多路复用和统计时分多路复用。

统计时分多路复用根据用户实

际需要动态分配线路资源，效率更高

。

多路复用多路复用　　　　　　　　　　　　　　　　 TDMTDM（（ Time Division MultiplexingTime Division Multiplexing，时分多路复用），时分多路复用）

A B C D A B C D A ...

时分复用帧

可用

频段

时间

频率 组成子信道A的时隙

用于光纤传输，是 FDM的一

个变例。

利用波分复用设备将不同信

道的信号调制成不同波长的光，并

复用到光纤信道上。

接收方采用波分设备分离不

同波长的光。

多路复用多路复用　　　　　　　　　　　　　　　　 WDMWDM（（ Wave Length Division MultiplexingWave Length Division Multiplexing，波分多，波分多路复用）路复用）

波分

复用

设备

波分

复用

设备

λ1

λ2

λ3 λ3

λ2

λ1

λ1λ2λ3

接收方为了能够正确读取发送方发

出的数据，必须清楚数据帧发送的开始

位置和结束位置，这就需要同步控制。

异步传输以字节为单位传输数据，

采用比特形式的同步信号，发送端和接

收方具有相互独立的时钟，并且两者中

任一方都不向对方提供时钟同步信号。

同步传输以数据帧为单位传输数据

，采用字节形式或位组合形式的同步信

号，由发送端或接收方提供专用于同步

的时钟信号。

同步控制同步控制

同步控制

接收方为了能够正确读取发送方发出的数据，必须清楚数据帧发送的开始位置和结束位置，这

就需要同步控制。

多路复用技术主要有三种： 复

用

器

分路

器

一条链路

N条通道N路输入 N路输出

起停同步控制

字符逐一传输，并且传送一个字符时总是以起始位开始

，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。

例如：

0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 1

奇偶

校验位 停止位起始位 7位数据

0/1 0/1

SYN同步控制

一次传送由若干个字符组成的数据帧，而不是只传送一个字符。

采用 SYN、 SOH、 STX、 ETX等特殊字符进行同步控制。

如果被传送数据中包含同步控制使用特殊字符，需要进行转义，或者

称为字符填充。

例如 IBM公司的二进制同步传输协议 BSC：

SYN SYN SOH 报文头 STX 正文 ETX 块校验

同步字符 报文头

开始符文本开始符 文本结束符

标志同步控制

一次传送由任意比特组成的数据帧，而不是单个字符。

靠约定的比特组合模式标志帧的开始和结束。

如果被传送数据中包含同步控制使用的比特组合，需要进行比特填充

以避免混淆。

例如 HDLC（ High Level Data Link Control ，高级数据链路控制） 。

8 位 8 位 8 位 >=0 位

16 位 8 位01111110 A C I FC 01111110

开始标志 地址位 控制位 信息位 校验位 结束标志

物理层编码违例同步控制

适用于那些在物理介质的编码策略中采用冗余技术的网络。

以特殊的非数据信号表示帧的开始和结束。

例如使用差分曼彻斯特编码的令牌环网。

高电平

低电平

0

J K 0 J K 0 0 0

交换技术

电路交换与存储转发电路交换方式就是在两个站

点之间建立一条专用的通信通路。

优点是传输迅速、延迟稳定并且

保持发送时的传输次序。缺点是

线路利用率低。

存储转发交换不需要建立起物理的

接续通路，而是以接力方式，数据报根

据报头信息在网络节点之间逐段传送，

直到目的节点。优点是线路利用率高。

相对电路交换，传输速率低，延迟不稳

定，而且不一定能保持发送时的次序。

空分交换与时分交换

输入线路

输出线

路

输入顺序

控制

输出顺序

控制信令

输入线

路

输

出线

路

高速总线

Highway

空分交换就是不同信号通路

之间从物理上被分隔开（空间分

隔）的交换。

时分交换实际上是时分多路复用

（ TDM）技术在交换系统的应用。

报文交换与分组交换报文交换中，报文完整地在

网络中逐个节点地向前传送。

报文越大传输延迟越大，并

且出错重传的代价越大。

分组交换中，发送节点将大的报文

分割为若干个小的分组，再进行传输，

接收方最后再重组报文。

与报文交换相比，分组交换的传输

延迟相对较小，出错重传的代价相对较

低。

与报文交换相比，分组交换增加了

传输的开销。

虚电路交换与数字报交换在数据报交换中，每个分组

被独立处理。

分组到达目的地的顺序可能

和发送的顺序不一致，目的节点

必须对收到的分组重新排序以恢

复原来的信息。

难以进行流量控制和差错控

制，因此传输的可靠性相对较低

。

虚电路通信之前，要在发送节点和

目的节点之间建立一条逻辑的数据转发

信道。该信道是通过各中间节点交换机

的路由表映射功能实现的，因此又称为

虚电路。

与数据报交换相比，虽然增加了虚

电路管理方面的工作，但每个分组无需

单独进行路由计算，可以减少中间节点

的处理时间。另外，虚电路交换方式能

更方便地实现流量控制和差错控制。

交换虚电路与永久虚电路虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除，这叫做交换虚电

路（ SVC， Switched Virtual Circuit），或呼叫虚电路。

在某些情况下，当网络节点对信息流量的控制较好且不拥挤时，可考虑采

用永久虚电路（ PVC， Permanent Virtual Circuit）。永久虚电路即通信双方

不管是否在通信，都永远存在一条虚电路，这种虚电路省去了虚呼叫和虚拆除

的过程。

几种交换方式的比较方式特性 电路交换 报文交换 数据报分组交换 虚电路分组交换

传输通路性质 物理的 逻辑的 逻辑的 逻辑的

通路的可用性 专用的 共享的 共享的 共享的

数据传输单元 报文 报文 分组 分组

通路建立 要求呼叫建立 不要求建立 不要求建立 要求呼叫建立

通路的维持 通信期间维持 不维持 不维持 通信期间维持

节点存储 不要求 存储一个报文 存储一个分组 存储一个分组

节点时延 几乎无时延 报文存储转发时延 分组存储转发时延 分组存储转发时延

过荷适应性 有呼叫阻塞 增加报文时延 增加分组时延有呼叫阻塞而且

增加分组时延

链路带宽利用 固定带宽占用 动态使用 动态使用 动态使用

流量控制

流量控制技术是用来限制发送方发送的数据流量，使其发送速率不要

“ ”超过接收方的接收处理速率，以免 淹没 接收方的一种技术。

流量控制方案的基本原理都是相同的，比如限制发送方何时发送下一

数据，在未获得接收方允许前，禁止发送数据等。

通常，接收方都会维护一个一定大小的缓冲区，当有数据到来时，接

收方一般先把数据缓存起来，然后进行处理，处理完后清除缓冲区，开始

接收下一批数据。

常见的流量控制协议有停等协议和滑动窗口协议。

停等协议在传输延迟比较大时，显得性能比较低。采用滑动窗口协议

“ ”可以在保证接收方不被 淹没 的前提下，尽可能提高传输的效率。

滑动窗口协议

滑动窗口协议与停等协议的不同是它允许连续发送多个数据帧而无需

等待应答。其实现原理是：对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送

过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送

；同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接

收。

通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制，就象通

过阀门控制水流速度一样。

45444342414039383736353433

发送方缓存

已发送

并

已确认

已发送

但

未确认

可发送 暂不能

发送

滑动窗口方向

发送窗口

差错控制

奇偶校验码

奇偶检验通过增加一位校验位来使编码中 1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校

验）。这种方法简单实用，但只能检查出奇数个错误。

偶校验 奇校验

信息字段0 0 0 1 0 1 0 0

1 1 1 0 0 0 0 1

1 0 1 0 1 0 1 0

0 1 1 1 0 0 1 0

0 0 1 1 0 1 1 0

1 0 0 1 1 1 0 0

1 1 0 1 0 0 1 0

信息字段0 0 0 1 0 1 0 1

1 1 1 0 0 0 0 0

1 0 1 0 1 0 1 1

0 1 1 1 0 0 1 1

0 0 1 1 0 1 1 1

1 0 0 1 1 1 0 1

1 1 0 1 0 0 1 1

海明码　　　　　　海明距离

一个编码系统中任意两个合法编码（码字）之间不同的二进数位

（ bit）的个数叫这两个码字的海明距离（ Hamming Distance），也叫做

码距。

例如， ASCII “码中 ”1 的码字为 0110001 “， ”2 的码字为 0110010 “，

”3 的码字为 0110011 “，则 ”1 “与 ”2 之间的海明距离为 2 “， ”1 “与 ”3 之间

的海明距离为 1 “， ”2 “与 ”3 之间的海明距离为 1。

整个编码系统中任意两个码字的最小距离就是该编码系统的海明距离。

以 ASCII “码为例，虽然 ”1 “与 ”2 之间的海明距离为 2 “，但 ”1 “与 ”3 之间

的海明距离为 1，按最小距离取值，得知 ASCII码的海明距离为 1。

海明码　　　　　　海明距离的纠错原理

若海明距离 d为奇数，如果传输中发生错误，只要每个编码的错误位

数不超过 d，则必定不是个有效的编码，接收方就可以将其识别出来。因

此对于编码系统来说， d位的海明距离则可以发现（ -d 1）位错。 ASCII

码的海明距离为 1，意味着 ASCII码不具备发现错误的能力。

当编码发生错误时，接收方可以对编码系统进行对比，寻找与错误编

码最贴近（海明距离最小）的一个编码，只要编码中的错误位数不超过

(( - )/ )abs d 1 2 时（ abs为取绝对值函数），与错误编码最贴近的那个编码就

是错误编码对应的原始编码。这就是海明距离的纠错原理。

海明码　　　　　　海明码的纠错能力

海明码将信息用逻辑形式编码，在 m个数据位之间插入 r个校验位，

每一个校验位被编在传输码字的特定位置上，全部传输码字由原来的信息

和附加的校验位组成。

海明码要采用这种码字能够纠正所有的单个错误。

如果一个帧包含 m个数据位和 r个校验位，则帧的总长度 = +n m r。

在编码系统中总共有 2n个码字，其中有效码字只有 2m个。要保证有效

报文各对应 n个无效的码字，它们与该报文的距离为 1。这些无效的码字

可以由有效码字的 n位逐位分别取反所得到的，从而每个有效的码字都应

该对应有 +n 1个码字（ n个无效码字 +1个有效码字）。

为了使编码系统能够纠正单个错误，必须有 2n≥( +n 1） 2m。由 = +n m r

可以得出校验位数目必须满足 2r ≥( + + )m r 1 。

海明码　　　　　　海明码的编码规则

设 r个校验位为 PrP -r 1···P1， m个数据位为 DmD -m 1···D1，海明码

为 H +r mH + -r m 1···H1，则有： Pi在海明码的第 2 -i 1位置，也即

Hj=Pi， =j 2 -i 1，数据位则依序从低到高占据海明码中剩下的位置。

例如，对于 8位数据位进行海明校验，根据公式需要 4位校验位。海

明码的生成方法如下表所示，其中，检验位在表格中用蓝色背景标示。

H12 H11 H10 H9 H8 H7 H6 H5 H4 H3 H2 H1

D8 D7 D6 D5 P4 D4 D3 D2 P3 D3 P2 P1

海明码　　　　　　海明码的校验关系

海明码 下标对应关系

P4P3P2P1

校验位组

H1 （ P1 ） 1 0 0 0 1 P1

H2 （ P2 ） 2 0 0 1 0 P2

H3 （ D1 ） 3=1+2 0 0 1 1 P1 ， P2

H4 （ P3 ） 4 0 1 0 0 P3

H5 （ D2 ） 5=1+4 0 1 0 1 P1 ， P3

H6 （ D3 ） 6=2+4 0 1 1 0 P2 ， P3

H7 （ D4 ） 7=1+2+4 0 1 1 1 P1 ， P2 ， P3

H8 （ P4 ） 8 1 0 0 0 P4

H9 （ D5 ） 9=1+8 1 0 0 1 P1 ， P4

H10 （ D6 ） 10=2+8 1 0 1 0 P2 ， P4

H11 （ D7 ） 11=1+2+8 1 0 1 1 P1 ， P2 ， P4

H12 （ D8 ） 12=4+8 1 1 0 0 P3 ， P4

海明码　　　　　　海明码的校验公式

754211 DDDDDP ⊕⊕⊕⊕=

764312 DDDDDP ⊕⊕⊕⊕=

84323 DDDDP ⊕⊕⊕=

87654 DDDDP ⊕⊕⊕=

海明码　　　　　　海明码的纠错过程

按照海明码的原理，当码字中出现一位错误时，海明码能够进行识别

和纠错。

海明码的纠错也需要计算检验 4个公式，如果发现有一个公式的计算

结果不为 0，则说明该公式中的某一个位存在错误；如果计算结果为 0，

则说明该公式内的位没有错误。

找到一个位，它存在于每个计算结果为１的公式，但又不存在于每个

计算结果为 0的公式，将该位反向，就完成了纠错过程。

CRC码　　　　　　生成多项式

CRC（ Cyclic Redundancy Code，循环冗余码）又称为多项式码

（ Polynomial Code），它是一种基于模 2运算的校验码，其检错能力非常

强，并且容易采用硬件电路实现。

CRC编码的基本思想将位串看成系数为 0或 1的多项式。一个 n位的

帧被看成是 -n 1次多项式的系数列表。最左边是 x -n 1项的系数，接着是 x -n 2

项的系数，依此类推，直到 X0项的系数。

例如：多项式 x4+ +x 1相当于 *1 x4+ *0 x3+ *0 x2+ *1 x1+ * 1 x0，因此其对应

的二进制串为 10011。

CRC码　　　　　　计算方法

CRC 编码通过模 2运算来建立有效信息和校验位之间的约定关系。模

2运算相当于异或运算。

计算 CRC编码前，发送方和接收方必须事先约定一个生成多项式

( )G x ，生成多项式的最高位和最低位都是 1。例如： x4+ +x 1是一个 4阶的

生成多项式。

CRC算法的思路是将校验和加在被校验数据帧的末尾，使得这个带校

验和的帧的对应多项式 ( )M x 可以被生成多项式 ( )G x 除尽。接收方收到这

个带校验和的帧后，如果发觉无法被 ( )G x 除尽，则说明数据出错。

CRC码　　　　　　示例

1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0最后四个“0”是补位1 0 0 1 1

1 0 0 1 1

1 0 0 余数

1 1 0 0 11 0 0 1 1

1 0 1 0 0 1 0 0 1 1

1 1 1 1 01 0 0 1 1

1 1 0 1 0 1 0 0 1 1

1 0 0 1 0 1 0 0 1 1

计算得到 CRC 校验码为 0100。

CRC码　　　　　　校验能力

主要的 CRC生成多项式有：

-CRC 12 ： ( )=G x x 12 + x 11 + x 3 + x 2 + + x 1

-CRC 16 ： ( )=G x x 16 + x 15 + x 2 + 1

-CRC CCITT ： ( )=G x x 16 + x 12 + x 5 + 1

-CRC 32： ( )=G x x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+ +x 1

CRC的检错能力很强，以 -CRC 16或 -CRC CCITT为例，它可以捕捉到

所有的单位错误和双位错误、所有的奇数位数的差错、所有长度小于或等

于 16位的突发差错、 .99 997％的长度为 17位的突发错误以及 .99 998％的

长度为 18位或多于 18位的突发错误。

差错控制　　　　　　　 ARQ（ Automatic Repeat Request，自动请求重发方式）

ARQ的工作原理是：发送方对所发送的序列进行差错编码，接收方根

据检验序列的编码规则判断有无错误。若发现错误，则利用反向信道要求

发送方重发出错的信息，直至接收方检验无误为止，从而达到纠正差错的

目的。

常用的三种形式的 ARQ协议分别为停等 ARQ协议，后退 N帧 ARQ

协议和选择重传 ARQ协议。

差错控制　　　　　　　 FEC（ Forward Error Correct，前向纠错方式）

FEC的工作原理是：发送方将信息编成具有检错和纠错能力的码字并发

送出去，接收方对收到的码字进行译码，译码时不但能发现错误，而且可

以自动进行错误纠正。

FEC不需要反馈通道，特别适合只能提供单向信道的场合，特点是时延

小，实时性好，但系统复杂。

差错控制 　　　　　　　 HEC（ Hybrid Error Correct，混合纠错方式）

HEC工作原理是：发送方发送具有一定纠错能力的码字，接收方对所

收到的数据进行检测。若发现错误，就对少量的、能纠正的错误进行纠正

，而对于超过纠错能力差错通过反馈重发方式予以纠正。

HEC在某种程度上弥补了反馈重发和前向纠错的缺点。

网络设备

网络设备

中继器

中继器 (Repeater)最简单的互连设备。它工作在 OSI模型的物理层，用

于扩展 LAN网段的长度，延伸信号传输的范围，例如可加大线缆的传输距

离。

中继器的工作就是重发 bit，将所收到的 bit信号进行再生和还原并传

给每个与之相连的网段。

中断器是一个没有鉴别能力的设备，它会精确的再生所收到的 bit信号

包括错误信息，而且再生后传给每个与之相连网段，不管目的计算机是否

在该网段上。但是，中继器的速度很快且时延很小。

集线器

集线器 (Hub)其实是一个具有多个端口的中继器。它可以集中网络连接

，可以重发 bit信号。

最常用的集线器是连接以太网中计算机的集线器，线缆从单个节点的

NIC连接到中心集线器。一般 8~24个端口。

其他类型的集线器包括用于令牌环网络的多站接入单元等。

中继器和集线器

网卡、网桥和交换机

网卡可以将计算机连接到网络上，网卡的接口要与传输介质相匹配。

网卡驱动程序用于向操作系统提供网卡的使用接口。

网桥是工作在数据链路层的软件或硬件设备，它基于MAC地址进行数

据帧处理，具有转发能力和数据帧格式转换能力。网桥是一种存储转发设

备，能将一个较大的 LAN 分割为多个网段，或将两个以上的 LAN互连为

一个逻辑 LAN。

交换机也是工作在数据链路层的网络设备。一般情况下可以将交换机

与网桥等同看待。网桥既可以是软件，也可以是硬件设备；交换机只能是

硬件设备。网桥可以只有两个端口，而交换机一般有四个以上端口。网桥

概念突出其协议转换功能，交换机则突出其数据帧转发功能。

网关和路由器

网关是工作在网络层和网络层以上的软件或硬件，具有协议转换功能。

网络层网关还具有路由功能。网关通常被视为具有协议转换功能的软件或

硬件设备的一种抽象。

路由器通常也被称为网关。但路由器只工作在网络层，一般指具体的

硬件设备。路由器除了具有协议转换功能和路由功能之外，生产厂商通常

还提供网络管理、计费和防火墙等附加功能。

-02-02 通信基础通信基础

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