数据通信基础：系统组成与OSI模型，全面解析通信原理

数据通信基础

目  录

第一章 数据通信系统        4

1.1数据通信系统组成        4

1.1.1数据终端设备（DTE）        4

1.1.2数据电路终接设备（DCE）        5

1.1.3数据电路和数据链路        5

1.1.4传输        5

1.1.4.1传输信道        5

1.1.4.2传输方式        5

1.1.4.3多路复用        7

1.1.5接口        7

1.2数据通信系统的性能指标        8

1.2.1信息传输速率（Rb）        8

1.2.2码元传输速率（RB）        8

1.2.3频带利用率        9

1.2.4差错率        9

第二章 OSI参考模型        10

2.1通信协议的概念与层次结构        10

2.2OSI参考模型及各层功能        10

2.2.1OSI参考模型        10

2.2.2各层功能        11

2.2.2.1物理层（PH）        11

2.2.2.2数据链路层（DL）        11

2.2.2.3网络层（N）        11

2.2.2.4运输层（T）        12

2.2.2.5会话层        13

2.2.2.6表示层        13

2.2.2.7应用层        13

2.3OSI有关术语        13

2.3.1数据单元        13

2.3.2服务访问点        14

2.3.3服务原语        14

2.3.4面向连接和无连接        15

第三章 数据通信网        15

3.1数据通信网的拓扑结构和分类        15

3.1.1拓扑结构        15

3.1.2分类        16

3.1.2.1按服务范围分        17

3.1.2.2按交换方式分类        17

3.2局域网        17

3.2.1概述        17

3.2.1.1特点        17

3.2.1.2拓扑结构        17

3.2.1.3传输媒体        18

3.2.2体系结构        18

3.2.2.1 IEEE 802参考模型        19

3.2.2.2 IEEE 802系列标准        20

3.2.3几种常见的局域网        21

3.2.3.1 802.3总线局域网        21

3.2.3.2 802.5令牌环网        22

3.2.4局域网的组成        23

3.2.4.1硬件组成        23

3.2.4.2软件组成        23

3.3分组交换网        23

3.3.1 X.25协议的应用环境和系统结构        23

3.3.2物理层        24

3.3.3数据链路层        25

3.3.3.1 X.25链路层功能        25

3.3.3.2数据链路层        25

3.3.4分组层        25

3.4帧中继        26

3.4.1帧中继与X.25的比较        27

3.4.2 LAPF帧格式        28

3.4.3帧中继的虚电路        29

3.4.4帧中继应用        30

3.5数字数据网DDN        30

3.5.1 DDN概述        30

3.5.1.1 DDN定义        30

3.5.1.2 DDN优点        31

3.5.1.3节点类型        31

3.5.1.4网络结构        32

3.5.1.5网络互联        33

3.5.2网络业务类别及用户入网速率        33

3.5.2.1网络业务类别        33

3.5.1.2用户入网速率        34

3.5.3用户入网方式        34

第一章 数据通信系统

数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。它传送数据的目的不仅是为了交换数据，更主要是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时准确的数据。

1.1数据通信系统组成

数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成，如图1-1所示。

图1-1 数据通信系统组成

1.1.1数据终端设备（DTE）

在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备（简称DTE）。DTE可能是大、中、小型计算机、PC机，也可能是一台只接收数据的打印机，所以说DTE属于用户范畴，其种类繁多，功能差别较大。从计算机和计算机通信系统的观点来看，终端是输入／输出的工具；从数据通信网络的观点来看，计算机和终端都称为网络的数据终端设备，简称终端。

在图1的数据终端组成中，输入/输出设备很好理解，值得一提的是通信控制器。由于数据通信是计算机与计算机或计算机与终端间的通信，为了有效而可靠地进行通信，通信双方必须按一定的规程进行，如收发双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维待和拆除及数据流量控制等，所以必须设置通信控制器来完成这些功能，对应于软件部分就是通信协议，这也是数据通信与传统电话通信的主要区别。

另外数据终端的类型有很多种，有简单终端和智能终端、同步终端和异步终端、本地终端和远程终端等，需要解释的是同步终端和异步终端。同步终端是以帧同步方式（如X.25、HDLC等）和字符同步方式(如BSC)工作的终端；异步终端是起止式终端，在每个字符的首尾加“起”和“止”比特，以实现收发双方的同步，字符和字符之间的间隙时间可以任意长，因此称为异步。

1.1.2数据电路终接设备（DCE）

用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备（DCE），可见该设备为用户设备提供入网的连接点。

DCE的功能就是完成数据信号的变换。因为传输信道可能是模拟的，也可能是数字的，DTE发出的数据信号不适合信道传输，所以要把数据信号变成适合信道传输的信号。利用模拟信道传输，要进行“数字→模拟”变换，方法就是调制，而接收端要进行反变换，即“模拟→数字”变换，这就是解调，实现调制与解调的设备称为调制解调器（MODEM）。因此调制解调器就是模拟信道的数据电路终接设备。利用数字信道传输信号时不需调制解调器，但DTE发出的数据信号也要经过某些变换才能有效而可靠地传输，对应的DCE即数据服务单元（DSU），其功能是码型和电平的变换，信道特性的均衡，同步时钟信号的形成，控制接续的建立、保持和拆断（指交换连接情况），维护测试等。

1.1.3数据电路和数据链路

数据电路指的是在线路或信道上加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路，它由传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成。

数据链路是在数据电路已建立的基础上，通过发送方和接收方之间交换“握手”信号，使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。所谓“握手”信号是指通信双方建立同步联系、使双方设备处于正确收发状态、通信双方相互核对地址等。如图1所示，加了通信控制器以后的数据电路称为数据链路。可见数据链路包括物理链路和实现链路协议的硬件和软件。只有建立了数据链路之后，双方DTE才可真正有效的进行数据传输。

特别注意，在数据通信网中，它仅仅操作于相邻的两个节点之间，因此从一个DTE到另一个DTE之间的连接可以操作多段数据链路。

1.1.4传输

1.1.4.1传输信道

传输信道是通信系统必不可少的组成部分，目前数据通信中所使用的多为有线信道，主要有：直接利用传输媒体的实线信道（如局域网中）；经调制解调器的频分信道（如部分地区用户线路中）；时分信道。由于光纤通信技术的发展，现在绝大部分的数据传输在时分信道上，以同步数字体系SDH方式传输。

1.1.4.2传输方式

数据传输按信息传送的方向与时间可以分为：单工、半双工、全双工三种传输方式，如图1-2所示。

图2-4 单工、半双工、全双工示意图

单工数据传输指的是两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。在图2-4 (a)中，数据由A站传到B站，而B站至A站只传送联络信号。前者称正向信道，后者称反向信道。一般正向信道传输速率较高，反向信道传输速率较低，其速率不超过75b/s。此种方式适用于数据收集系统，如气象数据的收集、电话费的集中计算等。因为在这种数据收集系统中，大量数据只需要从一端到另一端，另外需要少量联络信号通过反向信道传输。

半双工数据传输是两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。该方式要求A站、B站两端都有发送装置和接收装置，如图2-4（b）所示。若想改变信息的传输方向，需要由开关Kl和K2进行切换。问讯、检索、科学计算等数据通信系统运用半双工数据传输。

全双工数据传输是在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输。全双工通信效率高，但组成系统的造价高，适用于计算机之间高速数据通信系统。

通常四线线路实现全双工数据传输，二线线路实现单工或半双工数据传输。在采用频分法、时间压缩法、回波抵消技术时，二线线路也可实现全双工数据传输。

1.1.4.3多路复用

为了提高信道的利用率，在数据的传输中组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的信道，这种方法称为多路复用，常用的复用技术有频分复用和时分复用。

频分复用是将物理信道上的总带宽分成若干个独立的信道（即子信道），分别分配给用户传输数据信息，各子信道间还略留一个宽度（称为保护带）。在频分复用中，如果分配了子信道的用户没有数据传输，那么该子信道保持空闲状态，别的用户不能使用。频分复用适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话和有线电视（CATV）系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用，且只在地区用户线上用到，长途干线上主要采用时分复用。

时分复用是将一条物理信道按时间分成若干时间片（即时隙）轮流地分配给每个用户，每个时间片由复用的一个用户占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。数据时分复用可分为同步时分复用和统计时分复用。同步时分复用是指复用器把时隙固定地分配给各个数据终端，通过时隙交织形成多路复用信号，从而把各低速数据终端信号复用成较高速率的数据信号。统计时分复用也称异步时分复用。统计时分复用中，把时隙动态地分配给各个终端，即当终端的数据要传送时，才会分配到时隙，因此每个用户的数据传输速率可以高于平均传输速率，最高可以达到线路总的传输能力。例如；线路传输速率为/s，4个用户的平均速率为/s，当用同步时分复用时，每个用户的最高速率为/s，而在统计时分复用方式下，每个用户最高速率可达/s。同步时分复用和统计时分复用在数据通信网中均有使用，如DDN网采用同步时分复用，X.25、ATM采用统计时分复用。

1.1.5接口

数据通信是在各种类型的用户终端和计算机之间，或者同一型号或不同型号的计算机之间进行的，因此计算机、终端和数据通信设备之间的连接需要标准的接口，即在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范。

DTE和DCE之间有很多个同类型的接口，目前最通用的类刑有：

        美国电子工业协会EIA的RS-232C接口；

        ITU-T的V系列接口和X系列接口；

        国际标准化组织ISO和ISO 211O 、ISO 1177等。

EIA RS-232接口是美国EIA联合贝尔公司、数据通信设备制造厂和计算机制造厂开发的一个使用串行二进制方式进行交换的DTE和DCE间的接口标准，此标准共A、B、C、D四个版本，其中RS-232C标准使用很广泛。后来EIA又发表了RS-422A、RS-423A、RS-449接口标准，想取代RS-232C，但似乎做不到。ITU-T采纳了RS-232C，并作了较小改动，制定了V系列（V.24和V.28）接口标准。高速数据传输接口有V.35。

1.2数据通信系统的性能指标

不同的通信系统有不同的性能指标，就数据通信系统而言，其性能指标主要有传输速率、频带利用率、差错率等。

1.2.1信息传输速率（Rb）

信息传输速率简称传信率，又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特／秒，记为bit/s、b/s、bps。比特在信息论中作为信息量的度量单位。一般在数据通信中，如使用“1”和“0”的概率是相同的，则每个“1”和“0”就是一个比特的信息量。如果一个数据通信系统，每秒内传输，则它的传信率为Rb＝/s。

1.2.2码元传输速率（RB）

码元传输速率简称传码率，又称符号速率、码元速率、波特率、调制速率。它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），常用符号“B’来表示。

值得注意的是码元速率仅仅表征单位时间内传送的码元数目而没有限定这时的码元应是何种进制的码元。但对于传信率，则必须折合为相应的二进制码元来计算。例如，某系统每秒传送9600个码元，则该系统的传码率为9600B，如果系统是二进制的，它的传信率9600b/s；如果系统是四进制的，它的传信率是19.2kbit/s；如果系统是八进制的，它的传信率是28.8kbit/s。由此可见，传信率与传码率之间的关系为：

Rb =

式中，N为码元的进制数。

1.2.3频带利用率

在比较不同的通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还要看传输这样的信息所占用的频带。通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下,可以认为二者成比例。所以真正用来衡量数据通信系统信息传输效率的指标应该是单位频带内的传输速率，记为η：

η=

单位：比特／秒•赫（b／s•Hz）、波特／赫（B／Hz）。

例如某数据通信系统，其传信率为/s，占用频带为6kHz，则其频带利用率为η＝1.6bit/(s•Hz)。

1.2.4差错率

由于数据信息都由离散的二进制数字序列来表示，因此在传输过程中，不论它经历了何种变换，产生了什么样的失真，只要在到达接收端时能正确地恢复出原始发送的二进制数字序列，就是达到了传输的目的。所以衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率。表示差错率的方法常用以下三种：误码率、误字率、误组率。我们通常用误码率。

误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的码元数所占的比例，用字母Pe来表示，即

Pe =

误码率指某一段时间的平均误码率，对于同一条数据电路由于测量的时间长短不同，误码率就不一样。在日常维护中，ITU-T规定测试时间。数据传输误码率一般都低于10-10。

数据 传输 信道 速率 复用 通信系统