计算机网络技术学习指南 | 第2章 数据通信基础：从入门到精通

这一章讲什么

上一章把网络比作邮政系统，这一章研究"信件怎么写、怎么运、丢了怎么办"。数据通信基础就是网络世界的"交通运输学"：数据用什么形式表示（编码）、走哪条路（信道）、一条路能同时跑几辆车（复用）、路上撞坏了怎么赔（差错控制）、在交叉口怎么调度（交换）。概念多而碎，但条理清晰，是历年计算题和名词解释的"富矿"，务必逐节吃透。

逐节精讲

1. 数据通信的基本概念。 信源（发出信息的一方）、信宿（接收方）、信道（传输媒介）。几个术语要分清：信息是内容，数据是信息的载体（数字化的），信号是数据的电气或电磁表现。信号分模拟信号（连续，如电话线上的语音）与数字信号（离散，如计算机输出的 0/1 电平）。码元是承载一个离散状态的基本信号单元，波特率是每秒传输的码元数；比特率是每秒传输的比特数。若一个码元携带 n 比特（有 2ⁿ 种状态），则比特率 = 波特率 × log₂N。

2. 数据传输方式。 按数据位排列：串行传输（一位一位地传，适合远距离，如网线、串口）与并行传输（8 位或更多同时传，适合近距离，如打印机并口）。按通信方向：单工（只能单向，如广播）、半双工（可双向但不能同时，如对讲机）、全双工（可同时双向，如电话）。按同步方式：异步传输（以字符为单位加起止位，开销大但实现简单）与同步传输（以数据块为单位，用时钟同步，效率高）。还有基带传输（直接传数字信号）与频带传输（调制后用模拟信道传输）之分。

3. 数据通信系统的性能。 核心指标：传输速率（比特率、波特率）、误码率（传错比特数 ÷ 总比特数，一般要求低于 10⁻⁶）、时延、信道容量。两条著名定理必须会算：
- 奈奎斯特定理（理想无噪声信道）：C = 2W·log₂N（W 为信道带宽 Hz，N 为码元状态数）。例：带宽 3 kHz、码元 16 种状态，则 C = 2×3000×log₂16 = 24000 b/s。
- 香农定理（有噪声信道）：C = W·log₂(1 + S/N)。信噪比常以分贝表示：dB = 10·lg(S/N)。例：带宽 3 kHz、信噪比 30 dB（即 S/N = 1000），C = 3000×log₂1001 ≈ 30 kb/s。注意香农定理给出的是上限，实际无法超越。

4. 传输信道。 有线介质：双绞线（UTP，便宜，局域网主力，如 5 类/6 类线）、同轴电缆（抗干扰较好，早期以太网和有线电视）、光纤（光信号传输，损耗小、带宽大、抗电磁干扰，分单模与多模）。无线介质：无线电波、微波（视距传播，需中继）、卫星、红外。信道还可分为有线信道与无线信道、模拟信道与数字信道。

5. 编码。 数字数据编码为数字信号：不归零码 NRZ（1 为高电平）、曼彻斯特编码（每位中间有跳变，从高到低跳变为 1 或 0，需约定，10 Mb/s 以太网采用，波特率是比特率 2 倍）、差分曼彻斯特编码（每位开始处有无跳变表示 0 或 1）。模拟数据数字化用 PCM 脉码调制，三步：采样（按奈奎斯特采样定理，采样频率 ≥ 2 倍最高信号频率）、量化、编码。数字数据调制为模拟信号的三种方式：调幅 ASK、调频 FSK、调相 PSK。

6. 复用技术。 一条高速信道同时传输多路信号：频分复用 FDM（按频率划分，模拟时代用）、时分复用 TDM（按时间片轮转，数字系统用；又分同步 TDM 与统计 TDM/异步 TDM，后者按需分配更高效）、波分复用 WDM（光纤按波长划分，本质是光的频分）、码分复用 CDM/CDMA（用不同码型区分）。

7. 差错控制技术。 差错产生原因有随机噪声与冲击噪声。检错与纠错码：奇偶校验（加 1 位使 1 的个数为奇/偶，只能检奇数位错，不能纠错）、循环冗余校验 CRC（模 2 除法生成校验码，检错能力强，必会手算）。例：信息码 10110，生成多项式 G(x)=x³+x+1（即 1011），信息左移 3 位得 10110000，对 1011 做模 2 除法得余数，把余数拼在后面发送；接收方用同样的多项式除，余数为 0 则认为无错。纠错采用海明码（插入多个校验位定位错误）。差错控制方式：自动重传请求 ARQ（检错 + 重传）与前向纠错 FEC（接收端直接纠错）。

8. 交换技术。 电路交换（先建立独占的物理通路再通信，如传统电话；优点实时性好，缺点线路利用率低）、报文交换（整个报文作为单位存储转发，无需建立连接，但时延大）、分组交换（把报文切成较短的分组，存储转发；时延小、灵活可靠，是 ARPANET 与 Internet 的基础）。数据报方式每个分组独立选路（可能乱序到达），虚电路方式先建立逻辑连接后按序传输。

动手理解

1. 用曼彻斯特编码规则，手动画出比特串 1011001 的波形（先和同学约定"低→高跳变表示 1"）。
2. 亲手做一道 CRC 题：信息 110101，生成多项式 1001，求发送码字（提示：左移 3 位后模 2 除）。

精通要点

• 能默写单工/半双工/全双工、串行/并行的定义并各举一例。
• 奈奎斯特与香农公式信手拈来，知道分贝与 S/N 的换算。
• 能完整写出一个 CRC 校验码的计算过程。
• 说得出电路交换、报文交换、分组交换的优劣对比。
• 记住 PCM 采样定理"2 倍"与曼彻斯特编码"波特率 2 倍"两个数字。

掌握了一套"运输规则"之后，还差一样东西：让不同厂商的计算机都遵守同一套分层规则——这就是下一章的协议与体系结构。