17、数据通信：原理、优势与网络类型解析

数据通信：原理、优势与网络类型解析

1. 数据通信概述

在当今信息时代，物理距离已不再是通信的障碍。数据通信是计算机与通信技术的结合，使计算机之间能够像人与人通过电话交流一样相互连接。当两台或多台独立计算机交换信息时，它们就被认为是相互连接的，这种连接包括登录到其他计算机、提交作业以及移动数据文件，这就是数据通信或计算机网络。

2. 数据通信的发展历程

通信时代始于电报，它是第一个将信息转化为电信号并可靠地进行远距离传输的工具。19 世纪 70 年代末和 80 年代初，通信技术取得了诸多突破，如快速快门动态摄影、早期简陋的电影、电灯、电话以及电报的重大改进。1876 年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明了电话，开启了“电信”这一全新领域。20 世纪初，通信技术借助电话、广播、电视等电信媒体实现了信息的快速传播。50 年代计算机出现后，用户需前往大型计算机中心提交作业进行处理。随着个人计算机的出现，计算机逐渐走向用户桌面并能独立工作。

3. 为何需要数据通信

3.1 资源共享

• 硬件共享 ：联网计算机可共享硬盘、软盘驱动器、打印机、CD - ROM 驱动器、磁带备份单元、传真调制解调器、绘图仪、扫描仪等硬件组件。一些高速打印机等外围设备可直接连接到网络供所有用户共享，优化了硬件利用，减少了硬件投资。
• 软件共享 ：计算机网络能存储多个程序和数据副本，供网络内使用，优化资源利用并降低投资。虽然并非所有商业软件包都能在网络上使用，且部分软件有共享副本的法律要求，但在满足法律条件下，网络技术有助于软件资源共享。此外，企业内部开发的软件和生成的数据也可在企业规定范围内共享。
• 工作共享 ：网络使用户能够相互提交作业进行进一步处理，实现工作流程自动化。对于复杂报告，不同人员可独立处理不同部分，最终在网络上共享完整报告。

3.2 成本降低

网络可共享激光打印机等昂贵设备，提高资源利用率。办公室中多台计算机可通过网络共享一台打印机，避免为每台计算机配备打印机。大型计算机通过连接多个交互式终端，可让多人同时工作，充分利用其处理能力。小型个人计算机联网后可分担工作任务，达到与大型主机类似的效果，且成本远低于大型主机。

3.3 可用性和可靠性

计算机联网允许存储数据和程序的多个副本，能够应对硬件和软件的意外故障。网络中的计算机保留各自的计算资源，在硬件或软件出现问题时，可快速恢复数据和程序，提高系统的整体可靠性，并确保系统在正常情况下有更高的可用性。

3.4 通信媒介

数据通信技术为人们提供了一个优秀的通信媒介，便于在计算机网络上交换意见和想法。在局域网中，网络软件内置邮件功能，方便网络用户之间的通信。在长距离网络中，网络通信成本较低，因为通信线路无需专用，仅在实际通信时使用。大多数网络会对收到的消息进行确认，消息通过电信渠道快速发送。这种经济高效且可靠的通信方式有助于人们交换观点和想法，提高组织的生产力和效率。

4. 网络组件

计算机网络主要由两部分组成：

4.1 计算机（主机或数据计算设备）

用于数据处理、数据通信以及数据和程序的存储。

4.2 通信子网

• 交换设备 ：如接口消息处理器（IMPs），用于将数据信号从一个主机切换到另一个主机。当要传输的信号到达输入线路时，交换设备会选择合适的输出线路并转发数据信号。
• 传输线路 ：承载数据信号从一个主机到另一个主机，也称为电路、干线或通道。常见的传输线路包括无屏蔽双绞线、光纤、无线电链路等。通信子网可设计为广播消息（广播通道）或两个主机之间的点对点通信（点对点通道）。

5. 网络通信类型

5.1 点对点通信

用于数据传输、处理和信息共享，银行的大多数计算机网络需要点对点通道进行通信。这种通信通过点对点通道实现，需要大量电缆或租用线路来连接接口消息处理器（IMPs）对。当计算机网络通过在两台计算机之间建立物理或逻辑连接来提供点对点通信时，称为面向连接的服务。通信可以直接在两个 IMP 之间进行，也可以通过中间 IMP 进行。当使用中间 IMP 传输时，数据信号、消息或数据包会被完整接收和存储，直到获得所需的输出线路，然后再转发到下一个 IMP，这称为存储转发或分组交换子网。点对点子网采用不同的通信拓扑结构，如星形、环形、树形、完全网状、交叉环形或不规则网状，IMP 拓扑的选择取决于网络是局域网还是广域网。

5.2 广播通信

在广播系统中，网络上的所有机器共享一个通信通道。消息可以广播给所有接收器，也可以仅广播给单个接收器。如果仅广播给一个接收器，接收机器会读取地址，无关机器会忽略该消息。这种通信不需要专用连接，称为无连接服务。一种特殊的广播类型是“多播”，消息是针对一组接收器的。广播可以分为总线广播、无线电广播或环形广播三种类型。
- 总线广播 ：在任何时候，一台机器作为主设备，其他机器作为接收器。两台机器同时广播的冲突可通过中央系统或每个主机的分布式系统来解决。
- 卫星或无线电广播系统 ：所有主机都有一个天线，用于向中央发射器发送消息并接收发射器的信号。
- 环形广播拓扑 ：消息的每一位在网络中独立传播，同时传输的冲突通过不同技术解决。广播子网可以是静态的或动态的。静态广播中，可用时间在所有主机之间分配，主机在轮到自己时进行广播。动态分配中，分配可以在中央位置通过接收和存储所有请求并决定下一个广播的内容来确定，也可以在分布式位置使用明确定义的算法来避免两个广播消息同时冲突。

6. 模拟与数字通信

计算机系统中存储和通过计算机网络传输的信息可分为数据和信号两类。数据是计算机或计算机系统中传达意义的实体，若要将数据从一点传输到另一点，需将其转换为信号。信号是数据的电或电磁编码，用于传输数据。信号可以是模拟的或数字的，通常数字信号传达数字数据，模拟信号传达模拟数据，但也可以使用模拟信号传达数字数据，使用数字信号传达模拟数据。

6.1 模拟信号

自然形式的通信如人类声波、光波或电磁波都是正弦波，称为模拟信号，其波形连续变化。模拟信号具有振幅（衡量波的强度或高度）、频率（每秒的周期数）和相对相位三个不同特征。模拟波形更稳定，是自然的且能量最小，人类感官器官只能解读模拟信号，因此模拟信号用于人类的音频和视频通信。尽管模拟信号在传输介质中传播时强度会下降，但比数字信号下降得少。不过，模拟信号对放大器等其他设备的响应取决于信号频率，因此很难精确再现原始信号，且容易受到噪声和干扰的影响。但模拟信号可以进行多路复用，即在同一传输介质上同时发送多个信号。

6.2 数字信号

现代计算机使用数字或二进制波形，只能理解二进制逻辑，即电信号的存在或不存在。高于某一阈值的电压电平定义为“开启状态（一级）”，低于该电平定义为“关闭状态（零级）”。数字波形不太稳定，倾向于分解为主频率及其多次谐波的正弦形式，这就是“傅里叶分析”。与模拟信号相比，数字信号衰减更大，因为其波形不是自然的且有分解为自然形式的趋势。但由于其二进制性质，数字信号更容易再现，受噪声和干扰的影响较小，且传输和接收所需的设备成本较低。数字信号更适合基于计算机的通信，最新方法是将音频等模拟信号分解为多个数字信号，在另一端再重新组合成模拟形式，以提高信号的准确性或保真度。

7. 数字通信的要素

7.1 协议

协议是管理节点之间通信的一组规则。

7.2 位（Bits）

电信号的 ON 和 OFF 状态（即高于或低于某一阈值电压的电信号的存在或不存在）称为电信号的“位”，在语音通信中可对应元音。

7.3 字节（Bytes）

连续八个位的组合称为一个字节，一个字节可以方便地表示多达 256 个符号，如字母、十进制数字和标点符号，在书面通信中可与字母表相比。

7.4 数据包（Packet）

在更高层次上，位或字节的组被聚集成称为数据包或数据报的组。一组一个或多个数据包用于表示对接收者直接有用的消息。数据包是通过网络发送的数据的基本划分，通常由几百字节的数据和一个报头组成，报头包含有关数据包类型、网络地址等信息。数据包的大小和格式取决于所使用的协议和帧。

7.5 帧（Frame）

帧的概念用于以太网网络。位流被组织成一个数据单元，并为每个帧计算校验和，用于检测传入帧中的错误。常用的识别新帧的技术包括字符计数、起始和结束字符、起始结束标志以及物理层编码违规等。

8. 通信通道

计算机之间的通信需要通信通道，通信或传输通道是将一台计算机产生的电信号传输到另一台计算机的路径，使后者能够接收、解码和使用这些信号。所有通信介质可分为物理或传导介质（如电线）和辐射或无线介质（如使用无线电波）两类。传导介质包括双绞线、同轴电缆和光纤电缆；无线传输中使用各种类型的电磁波，如无线电波来传输信号。

8.1 常见通信通道类型

通道类型	特点	适用场景	成本
铜质或双绞线	古老、简单且常见，常用于本地电话系统。两根线以每英寸 6 圈的方式缠绕以消除电磁干扰，是最便宜的通道，适用于短距离通信，信号不失真。通常多根线捆扎成电缆。	短距离通信，如本地电话	低
同轴电缆	由单个金属导体、绝缘材料层、细钢丝网屏蔽层和保护绝缘外套组成。屏蔽层接地以防止外部电磁干扰扭曲信号，可用于数字和模拟传输，适用于较长距离，性能优于双绞线电缆，但成本较高。	较长距离的数字和模拟传输	中
光纤	由玻璃纤维制成的空心电缆，使用光束传输数据。带宽非常高，但成本可能很高，在连接到本地电话交换机时速度较慢，特别是在郊区、省会城市和城镇的家庭场所。光纤电缆能够在数公里内以超过 100 Gbps（每秒 1000 亿位）的速度传输数据，玻璃纤维本身是绝缘材料，不辐射能量，具有电磁免疫力和安全性，传输数据的能量损失低，电缆直径小且轻便。	高速、长距离数据传输	高
微波	可在不使用电线的情况下传输数据，是长距离电缆的替代方案，在铺设电缆困难或不合适的地区很有价值，但容量有限。微波是波长和频率在 300,000 MHz 至 3000 MHz 之间的电磁波，广泛用于视频传输和电话系统，使用超高频（UHF，300 - 3000 MHz）和甚高频（VHF，30 - 300 MHz）频段，属于红外范围。	长距离且铺设电缆困难的地区	中
无线电波	也是电磁波，但频率范围较低，为 3 KHz 至 30 MHz。最大优点是可被电离层反射，无需中继站即可覆盖更长距离，广泛用于音频传输。	长距离音频传输	低

8.2 带宽

带宽通常描述信息承载能力，可应用于电话或网络布线、系统总线、射频信号和显示器等。带宽最准确的测量单位是每秒周期数，即赫兹（Hz），表示传输的最低和最高频率之间的差异，但也常用每秒位数或字节数来表示。根据带宽，通道可分为窄带、语音带和宽带三类。
- 窄带 ：带宽非常低，数据传输速率约为每秒 5 到 30 个字符，用于电报传输。
- 语音带 ：用于普通电话线，频率范围为 300 - 3400 Hz，语音传输容量约为每秒 1000 个字符。
- 宽带 ：带宽最高，越来越多地用于电话系统，容量约为每秒 100,000 个字符。

在宽带传输中，要发送的信号与一个特殊的高频波（载波）集成并传输，在接收端从载波中分离出实际信号。另一种传输信号的方式是基带传输，即直接传输电磁波或数字脉冲，不改变其原始形式，但仅适用于短距离传输。对于长距离传输，数字信号会转换为模拟波并通过载波传输。在数字数据传输中，传输速度用每秒位数（比特率）表示，还有一个表示传输速度的单位是波特率，它表示数据传输线的电磁状态每秒变化的次数。如果每个信号元素的比特率相当于 1 比特信息，则波特率和比特率相等，否则不相等，两者的关系取决于所使用的编码方法。

8.3 串行和并行通信

• 串行通信 ：不同数据位依次通过一条线路发送，速度比并行通信慢，但更经济，因为只需要一条线路，且在长距离传输数据时没有并行通信的偏斜问题，因此用于长距离通信。
• 并行通信 ：一个字节的所有八位同时通过不同线路发送，并向接收器发送一个额外的时钟位以通知所有位都已到位。并行通信速度非常快，最适合短距离通信，如连接打印机或视频显示单元（VDU）。但由于需要多条线路，成本较高，且不同线路上信号速度的不匹配会导致信号偏斜，因此不适合长距离通信。

8.4 数据调制与解调

在宽带传输中，要将数字信号转换为合适的电磁波进行计算机之间的数据传输。数字信号转换为模拟信号时，原始信号（基带）通过幅度、相位或频率调制与载波频率混合，这由调制器完成。在接收端，模拟信号再通过解调器转换回数字脉冲并从载波中分离出来。
- 幅度调制 ：如果载波模拟信号的幅度或强度分为高幅度和低幅度两个步骤进行修改，在接收端可解释为数字信号的 1 或 0 状态，这种编码方法称为幅度移位键控。
- 频率调制 ：当载波模拟信号的频率变化或编码为高频或低频时，信号可解码为数字 1 或数字 0，这种编码方法称为频率移位键控。
- 相位调制 ：当载波信号的相位变化或编码以表示数字 1 或数字 0 时，称为相位调制，编码方法称为相位移位键控。

8.5 同步与异步通信

串行通信可以采用异步或同步模式，模式的选择取决于便利性和适用性。
- 同步通信 ：数据从发送方传输到接收方时，接收方需要有明确的方式知道接收到的内容。在同步传输中，发送方的时钟定时信号被接收方系统完美同步，然后数据以规则和正确的方式从发送方流向接收方。这种方法可用于串行和并行传输。在串行传输中，位由国际电话电报咨询委员会（CCITT）在 X.25 系列中定义的协议进行同步；在并行传输中，字节由美国国家标准协会（ANSI）开发的 BSC（二进制同步通信）X3.28 系列协议进行同步。同步传输模式下，每个传输的代码块之前都有一些特殊信号（同步信号）。传输速率非常高，但通道中需要存储缓冲区来接收传输的数据，且不需要额外的字符来识别数据。同步传输通过以下三种方法实现：
- 保证状态变化 ：将时钟信息嵌入数据信号中，确保信号在预定时间间隔内有保证的转换，帮助接收方调整其内部时钟。
- 单独的时钟信号 ：使用单独的时钟线从发送方和接收方传输时钟信号。这种方法成本高、效率低，但在短距离传输中更有效。
- 过采样 ：以比数据速率快得多的速度对传入信号进行采样，以确定发送方和接收方是否同步。
- 异步通信 ：在异步通信中，每个字符单独通过线路传输，每个字符之前有一个起始位，之后有一个停止位，这些起始和停止位帮助发送方和接收方同步传输。信号以不规则的时间间隔发送，由于数据通道内或伴随的数据通道中没有时钟信号来同步传输和接收，因此称为异步通信。异步传输中，除了实际数据位外，还需要发送额外的位进行识别，这称为“开销”，因此不适合定期传输大量数据。由于其简单性，通常用于小数据量传输，且不需要终端本地存储，信号生成后即可传输。鼠标或打印机的传输都是异步传输。计算字符每秒的数据传输速率时，需要将每秒位数除以形成一个字符所用的位数（包括开销位）。

9. 电路元素

通信涉及两个源，理想的电路条件是两者能够同时相互通信，如本地电话，称为全双工电路，提供信号的同时双向流动。另一种选择是半双工系统，使用单条电路时，双方不能同时交谈，只能一方说话另一方倾听，如国际用户长途拨号系统（ISTD）。还有一种是单工电路，一方只能说话不能倾听，信号仅向一个方向流动，如扬声器。

10. 通信系统

在通信系统中，数据传输可以是多个终端连接到一台计算机，也可以是多台计算机相互连接，有些情况下计算机还配备自己的终端。终端与计算机之间最简单的连接方法是使用直接链路进行点对点通信，但由于通信链路成本较高，通常多个终端连接到一条线路，计算机位于另一端。在这种情况下，一次只有一个终端可以通过该链路与计算机通信，每个终端通过唯一地址进行识别。为确保一次只有一个终端通信，使用“轮询”系统。拥有多个终端连接到一条线路的系统称为多点或多分支系统，通常会结合多路复用技术以实现经济和便捷的通信。

11. 计算机网络

在网络术语中，链路之间的互连点称为节点，多个表示不同路线的链路在节点处汇聚。节点可以是计算机系统或仅仅是一个 junction 点，类似于不同链路交汇的交换点。在节点处，包含传入消息的链路连接到任意一条传出链路，但一次只能连接一条。这种临时按需连接称为交换，有电路交换和分组交换两种交换系统。
- 电路交换 ：在传入和传出链路之间建立直接连接，允许消息直接流动。例如，在普通本地电话系统中，打电话时通过电路交换直接建立连接，通信内容直接从一端传输到另一端。
- 分组交换 ：消息被分成多个小数据包，数据包是传输的物理单位，整个消息是传输的逻辑单位。每个数据包在所需链路空闲时从一个节点传输到另一个节点，无需在发送方和接收方之间建立实际的物理连接。数据包在节点处存储直到传输，可降低传输成本。

如果每个由计算机系统组成的节点都相互连接，对于 n 个节点，将有 n(n - 1)/2 条互连链路。为减少昂贵链路的数量，使用交换系统。

12. 多路复用

在最简单的情况下，一个介质在任何时刻只能承载一个信号，但很多时候我们希望一个介质同时承载多个信号。因此，从经济角度考虑，可以将大量低速信号组合在一起，通过高速传输通道发送，在接收端再将各个信号分离。这种在单个介质上传输多个信号的技术称为多路复用，其反向过程是解多路复用。常用的多路复用方法有三种：
- 空分多路复用（SDM） ：将各个通道组合在一起形成一个高带宽通道。例如，双绞线、同轴电缆或光纤电缆被捆扎成大直径电缆，承载多个不同信号，广泛应用于本地电话系统。
- 频分多路复用（FDM） ：为介质的每个用户分配不重叠的频率范围，每个用户被分配一个通道，通道是一组用于传输用户信号的频率。
- 时分多路复用（TDM） ：直接支持数字信号，通过在介质上的可用传输时间在用户之间分配来实现信号共享，类似于计算机系统的分时共享。

13. 轮询

在包含多个终端连接到一台计算机的多分支系统中，确定哪个终端将传输数据的技术称为轮询。有两种轮询方法：
- 点名轮询 ：计算机依次询问每个终端是否要传输数据，并相应地采取行动。
- 中心轮询 ：计算机向一个终端发送“轮询序列”，该终端再将其转发给下一个终端，接收到轮询序列的终端可以向计算机传输数据。

14. 通信协议

使用网络的通信系统的规则、规定和程序称为通信协议，其目的是确保不同国家不同制造商的设备能够无问题地用于通信，使它们相互兼容。协议通常规定以下内容：
- 如何在数据传输期间建立和结束连接（会话）。
- 如何构建消息以便向前传输，就像寄信时使用信封保护信件一样，数据传输也需要类似的处理。
- 如何检测错误以及采取什么步骤通过重传来纠正错误，但避免重复传输。
- 如何确定消息的发送者和接收者。
- 会话期间传输如何继续。

15. 网络协议

为使网络操作中使用的各种设备（包括计算机）相互兼容，实现不同系统之间的有效通信，国际标准化组织（ISO）开发了网络协议，即开放系统互连（OSI）。根据这些建议，整个通信系统（包括硬件和软件）被分为七个不同的相互依赖的层，每层都有独特的作用，并提供了不同系统之间实现兼容性的层次，这是一种分层协议。每层仅依赖相邻层并与之通信。从用户应用的角度来看，最顶层是应用层，最底层是物理层。各层从下到上依次为：

15.1 物理层

该层通过链路实现不同节点之间的直接物理连接，源节点和目的节点之间可能有多个节点形成传输通道。它定义了物理设备的机械和电气特性，如电压、引脚连接以及传输介质。建议提供串行和并行传输，使用半双工和全双工线路进行点对点和多点配置。在这一层，位串从一个节点传输到另一个节点。

15.2 链路层

链路层协议规定了节点如何与通信通道接口，将组成数据包的位转换为通道上的信号。通过物理端口、插座或插头，将信号传输到由双绞线、同轴电缆、光纤电缆或数字蜂窝电话网络等介质提供的通道上。该层在传输端对数据进行编码，在接收端进行解码。消息被转换为帧或数据块，并提供源地址和目的地址以及错误检查程序，定义了访问控制机制。它负责无错误传输，可能会重传帧以确保不发生重复传输，并控制传输速度，确保接收方以正确的速度接收帧，即使发送方以更高或更低的速度发送。

15.3 网络层

网络层协议规定了数据包如何在网络中移动，包括如何寻址目标节点以及如何将每个数据包路由到该节点。它定义了交换机制，通常是分组交换，还定义了选择最佳传输路由的方法。在这一层，帧被转换为数据包并在网络上实际传输。它控制数据从一个节点到另一个节点的移动，从源到目的以及反之亦然，并确保验证发送到目的地的数据包的接收情况。它选择数据包发送的路由，避免线路拥塞，并确保数据包按正确顺序发送。当数据包通过不同路由发送时，确保在目的地按顺序可用会变得相当复杂。

15.4 传输层

传输层协议规定是否以及如何保证完整和准确消息的接收。此外，如果消息太大无法一次传输，它规定如何将消息分解为段。该层提供源和目的地之间的连接建立和断开方式，给人一种发送者和接收者直接连接的印象，这称为虚拟连接。例如，当你从计算机访问存储在主计算机中的特定数据文件时，使用必要的命令后文件就会可用，你会感觉直接在处理该文件，但实际上并非如此，这就是传输层发挥作用的地方。它提供网络间路由。

15.5 会话层

会话层管理资源以实现交互式通信。它确保你有权限获取所请求的数据文件，然后建立设置使双方能够相互通信。它决定互连的性质，如半双工或全双工。如果会话期间链路中断，它会安排备用传输路由，确保会话继续，直到使用它的人终止会话。在这一层，应用程序可以使用名称与设备通信。

15.6 应用层

应用层协议处理与网络中其他节点的应用程序交换的消息。它们规定数据项的顺序和格式等细节。这是连接建立后发送方和接收方进行对话的层，包含在网络条件下进行各种操作的各种实用程序。

链路层和物理层规定硬件要求，网络拓扑和数据传输速度在这两层确定。网络层、传输层和会话层由网络软件提供，它们协同工作形成所谓的子网层，控制硬件。它们建立和维护虚拟连接，这是源和目的地之间的临时链接。点对点通信服务通常在会话层进行接口，而网络的所有应用程序在表示层进行接口。应用层是所有程序执行的地方。

16. 错误检测与预防

传输的数据（无论是模拟还是数字）都容易受到多种类型的噪声和错误的影响。基于铜的介质传统上受到多种类型的干扰和噪声的困扰，卫星、微波和无线电网络也容易受到干扰和串扰。即使是近乎完美的光纤电缆也可能在传输系统中引入错误，尽管发生这种情况的概率比其他类型的介质要小。由于存在多种形式的噪声和错误，且几乎必然会出现某种形式的噪声，每个数据传输系统都必须采取预防措施来减少噪声和错误的可能性。如果能在噪声发生之前降低其可能性，发送站可能不必减慢传输流。通过适当的错误预防技术，可以减少多种类型的错误。尽管进行了最佳预防尝试，错误仍然会发生。如果检测到错误，通常会请求重传。错误检测技术本身可以相对简单或相对复杂。一般来说，简单的技术提供的错误检查程度不如更复杂的方案。例如，最简单的错误检测技术是简单奇偶校验，它为一个字符的数据添加一个单比特，但捕获的错误数量最少。目前最复杂和最有效的技术是循环冗余校验和，尽管它更复杂，通常为一个数据块添加 16 位的错误检测码，但它是有史以来设计出的最有效的错误检测技术。

17. 网络类型

网络根据覆盖距离、硬件配置或功能等不同方式进行分类。

17.1 局域网（LAN）

局域网通常局限于一个建筑物或校园内，组织内的所有计算机通过铜缆或光纤电缆连接。这种网络必须在组织的限制范围内运行。在有效的信息系统中，需要确保独立计算单元之间以经济的方式快速灵活地移动数据，且错误率低。局域网的独特特征是传输的数字信号属于基带传输，即生成的信号以原始形式传输，不做任何改变，且在任何时刻，网络中只能有一个信号流动。网络服务通过分时或时分复用进行控制。局域网具有以下优点：
- 硬件和软件共享。
- 网络故障时工作站仍可运行。
- 组件和系统可发展。
- 硬件和软件的异构混合。
- 可访问其他局域网、广域网和大型计算机。

缺点包括复杂性、维护成本高，且网络的强度取决于最薄弱的环节。大多数用户期望局域网的主要功能是资源共享，通常包括以下应用：文件服务、数据库和应用服务、打印服务、电子邮件、远程链接、视频传输、过程控制和监控以及分布式处理。在局域网系统中，通常将一台具有较高容量和速度的计算机作为文件服务器，用于存储文件、管理文件、处理通信、分配资源和控制操作等，它安装有网络操作系统。其他计算单元称为工作站，有自己的操作系统（如 MS DOS 或 OS/2），用于进行处理。局域网形成对等网络，其中所有计算机都可以相互通信，这与大型机或小型计算机的终端只能与主机通信而不能相互通信不同。

17.2 广域网（WAN）

广域网通常覆盖很长的距离，可能跨越多个国家和大陆。这些网络必须使用公共通信通道，如电话或租用线路，且对通信没有垄断权。广域网需要特殊的硬件，用于互连地理位置相距遥远的计算机，其通信介质由传统的电话系统电信网络提供。广域网使用宽带传输，可同时传输多个信号。现代电信网络可以承载不同类型的模拟和数字信号，用于语音和数据传输。在广域网系统中，每台计算机都需要一个调制解调器，将数字信号转换为模拟波并与载波集成进行传输，最终实现计算机到计算机的连接。广域网的拓扑结构描述为网状或树形配置，传输通过不同的中间节点和不同的链路进行。随着最新技术的发展，电话网络系统正在按照综合业务数字网（ISDN）协议转变为全数字网络。当前网络的发展趋势是增加带宽，即提高网络传输数据的速率。网络正用于音频和视频通信，如视频会议。通过引入能够以 1000 Mbps 速度传输数据的快速以太网网卡，试图提高局域网的带宽。光纤技术的发展旨在降低成本并使其商业化。高速数字通信线路能够承载高达 64 Kbps 的数据，正在被广泛使用。通过异步传输模式（ATM）和光纤技术，试图提高通信网络的能力。此外，卫星技术的发展显示了使用蜂窝电话实现全球连接以及使用笔记本电脑和蜂窝电话实现微波连接的可能性。在不久的将来，信息技术有望使地理距离变得无关紧要。

17.3 内联网和互联网

• 内联网 ：最新的网络趋势是企业网络（内联网）的发展，它正在改变工作场所的概念，从家庭延伸到跨国办公室。这些网络是特定于企业的，用于企业内部通信，通过安装相互通信并使用公共网络进行更新的服务器来实现。
• 互联网 ：互联网是网络的网络，世界各地的不同服务器相互连接。企业广泛使用互联网来发布关于自身和产品的信息。互联网使用一种特殊的协议“超文本传输协议”（HTTP）进行连接和通信，发布的信息使用超文本标记语言（HTML），它可以实现存储在一个服务器上的文本的一部分与存储在另一个服务器上的文本之间的链接。互联网在信息分发和社交通信方面带来了革命，使信息传播即时且成本大幅降低。

数据通信在现代社会中扮演着至关重要的角色，从其发展历程、原理到各种网络类型，都在不断推动着信息技术的进步和社会的发展。随着技术的不断创新，数据通信将在更多领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利。

18. 数据通信的未来展望

随着科技的飞速发展，数据通信领域正迈向一个充满无限可能的未来。以下是一些值得关注的发展趋势：

18.1 5G 与 6G 技术的推动

5G 技术已经在全球范围内逐步普及，它带来了更高的带宽、更低的延迟和更大的连接密度。这使得物联网（IoT）设备能够更高效地连接和通信，推动了智能家居、智能交通、工业自动化等领域的发展。例如，在智能交通中，车辆之间可以通过 5G 网络实时交换信息，实现自动驾驶和交通流量的优化。

而 6G 技术也已经在研究之中，预计将在 2030 年左右实现商用。6G 有望提供比 5G 更高的传输速率、更低的延迟和更广泛的覆盖范围，甚至可能实现全球无缝连接。它将支持更复杂的应用，如全息通信、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的大规模应用等。

18.2 人工智能与数据通信的融合

人工智能（AI）在数据通信中的应用越来越广泛。AI 可以用于优化网络资源分配、提高网络性能和安全性。例如，通过机器学习算法，网络可以自动识别和预测网络拥塞，并及时调整资源分配以避免拥塞。同时，AI 还可以用于数据加密和身份验证，提高网络的安全性。

另一方面，数据通信也为 AI 提供了强大的支持。大量的数据需要通过高速、稳定的网络进行传输和存储，以便 AI 算法进行训练和学习。例如，在医疗领域，通过数据通信网络，医生可以实时获取患者的医疗数据，并利用 AI 算法进行诊断和治疗建议。

18.3 量子通信的潜力

量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式，具有极高的安全性和传输速率。量子密钥分发（QKD）可以确保通信双方之间的密钥安全，防止信息被窃取。虽然目前量子通信技术还处于实验阶段，但随着技术的不断进步，它有望在未来成为数据通信的重要组成部分。

18.4 边缘计算的兴起

边缘计算将计算和数据存储靠近数据源，减少了数据传输的延迟和带宽需求。在物联网应用中，大量的传感器和设备产生的数据可以在边缘节点进行处理和分析，只将必要的数据传输到云端。这不仅提高了系统的响应速度，还减轻了云端的负担。例如，在智能工厂中，边缘计算可以实时处理生产线上的传感器数据，及时调整生产参数，提高生产效率。

19. 数据通信中的安全挑战与应对策略

数据通信的安全性是一个至关重要的问题，随着网络攻击技术的不断发展，数据通信面临着越来越多的安全挑战。以下是一些常见的安全挑战和应对策略：

19.1 网络攻击

网络攻击包括黑客攻击、病毒感染、拒绝服务攻击（DoS）等。黑客可以通过入侵网络系统，窃取敏感信息或破坏系统的正常运行。病毒和恶意软件可以感染计算机和设备，导致数据丢失或系统故障。拒绝服务攻击则可以通过大量的请求使网络服务瘫痪。

应对策略：
- 防火墙 ：防火墙可以阻止未经授权的网络访问，保护内部网络的安全。
- 入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS） ：IDS 可以实时监测网络活动，发现潜在的攻击行为；IPS 则可以在发现攻击时自动采取措施进行防御。
- 加密技术 ：使用加密算法对数据进行加密，确保数据在传输和存储过程中的安全性。
- 定期更新系统和软件 ：及时安装安全补丁，修复系统和软件中的漏洞。

19.2 数据泄露

数据泄露是指敏感信息被非法获取或披露。这可能是由于内部人员的疏忽或恶意行为，也可能是由于外部攻击导致的。数据泄露会给企业和个人带来严重的损失，如声誉受损、经济损失等。

应对策略：
- 访问控制 ：限制对敏感数据的访问权限，只有授权人员才能访问。
- 数据分类和标记 ：对数据进行分类和标记，根据数据的敏感程度采取不同的保护措施。
- 数据备份和恢复 ：定期备份数据，确保在数据泄露或丢失时能够及时恢复。
- 员工培训 ：对员工进行安全意识培训，提高员工的安全意识和防范能力。

19.3 物联网安全

随着物联网设备的普及，物联网安全问题也日益突出。物联网设备通常具有较低的计算能力和安全防护措施，容易成为攻击的目标。黑客可以通过攻击物联网设备，获取用户的个人信息或控制设备的运行。

应对策略：
- 设备认证和授权 ：对物联网设备进行认证和授权，确保只有合法的设备才能接入网络。
- 安全通信协议 ：使用安全的通信协议，如 TLS/SSL，确保设备之间的通信安全。
- 定期更新设备固件 ：及时更新设备的固件，修复安全漏洞。
- 安全审计和监控 ：对物联网设备的运行状态进行审计和监控，及时发现和处理安全问题。

20. 数据通信在不同行业的应用案例

数据通信技术在各个行业都有着广泛的应用，以下是一些具体的应用案例：

20.1 金融行业

在金融行业，数据通信用于实时交易处理、风险管理和客户服务等方面。银行通过高速网络连接各个分支机构和交易系统，确保交易的实时性和准确性。同时，金融机构还使用数据通信技术进行风险评估和监控，及时发现和处理潜在的风险。例如，通过分析大量的交易数据，银行可以预测客户的信用风险，并采取相应的措施进行防范。

20.2 医疗行业

医疗行业的数据通信应用包括远程医疗、电子病历系统和医疗设备联网等。远程医疗可以让医生通过网络远程诊断和治疗患者，提高医疗资源的利用效率。电子病历系统可以实现患者病历的电子化管理，方便医生随时查阅和共享患者的信息。医疗设备联网则可以实现设备之间的数据共享和协同工作，提高医疗诊断和治疗的准确性。例如，通过将心电图机和超声设备联网，医生可以实时获取患者的检查结果，进行更准确的诊断。

20.3 教育行业

教育行业的数据通信应用主要包括在线教育、远程教育和教育资源共享等。在线教育平台通过网络为学生提供丰富的学习资源和课程，学生可以随时随地进行学习。远程教育则可以让教师通过网络远程授课，实现跨地区的教育资源共享。教育资源共享平台可以让学校和教师之间共享教学资料和经验，提高教育质量。例如，一些高校通过在线教育平台开设了大量的公开课，供全球学生免费学习。

20.4 制造业

在制造业中，数据通信用于工业自动化、智能制造和供应链管理等方面。工业自动化系统通过网络连接各个生产设备和控制系统，实现生产过程的自动化和智能化。智能制造则可以通过数据分析和人工智能技术，优化生产流程和提高生产效率。供应链管理系统可以通过网络实现供应商、制造商和客户之间的信息共享和协同工作，提高供应链的效率和灵活性。例如，汽车制造企业通过工业物联网技术实现了生产线的自动化监控和管理，提高了生产效率和产品质量。

21. 总结

数据通信作为现代信息技术的核心组成部分，已经深刻地改变了我们的生活和工作方式。从早期的电报、电话到如今的高速计算机网络和物联网，数据通信技术不断发展和创新，为我们带来了前所未有的便利和机遇。

本文详细介绍了数据通信的原理、优势、网络类型、通信协议、错误检测与预防等方面的知识，同时探讨了数据通信的未来发展趋势、安全挑战与应对策略以及在不同行业的应用案例。通过对这些内容的了解，我们可以更好地理解数据通信的本质和重要性，为我们在实际工作和生活中应用数据通信技术提供指导。

在未来，随着 5G、6G、人工智能、量子通信等技术的不断发展，数据通信将迎来更加广阔的发展空间。我们需要不断学习和掌握新的技术和知识，以适应数据通信领域的快速变化。同时，我们也需要高度重视数据通信的安全性，采取有效的措施保护数据的安全和隐私。相信在不久的将来，数据通信将在更多领域发挥更大的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。

数据通信相关概念对比表

对比项目	模拟通信	数字通信
信号类型	连续变化的正弦波	离散的二进制脉冲
抗干扰能力	较弱，易受噪声影响	较强，可通过纠错码等方式纠正错误
传输质量	相对较低，信号易失真	相对较高，信号质量稳定
设备成本	较高，需要复杂的调制解调设备	较低，设备简单
多路复用能力	可通过频分复用实现多路传输	可通过时分复用等方式实现多路传输

数据通信工作流程 mermaid 流程图

graph LR
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    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(数据准备):::process
    B --> C{选择通信方式}:::decision
    C -->|串行通信| D(串行数据发送):::process
    C -->|并行通信| E(并行数据发送):::process
    D --> F(数据调制):::process
    E --> F
    F --> G(信号传输):::process
    G --> H(信号接收):::process
    H --> I(数据解调):::process
    I --> J{数据是否正确}:::decision
    J -->|是| K(数据处理):::process
    J -->|否| L(请求重传):::process
    L --> D
    K --> M([结束]):::startend