局域异步通信.pdf

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1、下载第4章局域异步通信4.1 概述计算机是数字设备，采用二进制数字（位）表示数据。这样，从一台计算机通过网络向另一台计算机传输数据意味着通过传输介质发送位串。从物理上说，通信系统使用电流，无线电波或光传输信息。本章阐述了电流是如何用来在短距离中传输数字信息的，并说明位串是如何编码的，以及讨论用于传输字符的一个流行的工作机制。下一章将解释本章介绍的机制为何不能用于长距离通信，并将介绍长距离通信是如何实现的。除了讨论基本的传输，本章还介绍了网络中可以量化的两个主要性能指标：带宽和延迟。此外还讨论了使用量化指标的动机，并解释了带宽与网络容量之间的关系。后面章节将介绍类似的测量如何用在完整的网络系统上

2、。4.2 异步通信的必要性广义上说，若发送方与接收方之间在发送数据前无需协调（同步），则这种通信称为异步的（a s y n c h r o n o u s）。这样，发送方在发送间歇可以等待任意长时间，并且只要数据准备好后即可发送。接收方在数据到达时必须已经准备好接收数据。异步通信对键盘那样并不总是有数据发送的设备是很有用处的。从技术上来讲，若发送的电信号中并不包含接收方用来确定位串何时开始或结束的信息，则该通信硬件归类为异步的。异步通信中接收硬件必须具备接收并解释发送硬件本身产生的信号的能力。本章介绍允许发送方在任何时候发送数据，而由接收方来解释信号的异步通信机制，下一章将介绍同步通信硬件。4

3、.3 用电流发送位串最简单的电子通信系统使用微小的电流编码数据。为理解电流如何编码位串，可假设在一根连结两台电子设备的导线上，负电压用来表示 1，正电压用来表示0。例如，为送一位0，发送设备在导线上放置一个正电压并保持一小段时间，然后返回零伏。图 4-1显示了导线上的电压在发送设备发送位串时如何随时间变化。像图4-1这样的图叫做波形图（w a v e f o r m d i a g r a m），这样一张图形象地说明了电信号如何随时间发生变化。例如，从图中可见，在第四位和第五位的传输之间，有一段较长的无信号时间。4.4 通信标准图4-1中的例子显示了用电压传输数据的一种可能的方式。但是仍有若干

4、问题未解决。例如，发送器应该保持多长+0101001时间电压图4-1 正负电压用于在导线上发送位串。本例中发送器用负电压表示1，正电压表示0时间的电压用于传输一位数据？虽然发送器必须等待足够长的时间以便接收硬件检测出所发送的电压，但等待的时间比所需更长则是一种浪费。另外硬件电压变化的最大速率是多少？顾客怎样才能知道从一个供应商处购得的发送硬件能够与从另一个供应商处购得的接收硬件协调地工作？能否在同样的时间内传输更多的数据？为保证不同供应商生产的通信硬件能协同工作，通信系统的规格被标准化了。象国际电信联盟（I T U）、电子工业协会（E I A）以及电子电气工程师协会（I E E E）等组织出版

5、了作为工业标准的通信设备规格的标准文本，回答了一些特定通信技术的有关问题（有关标准说明了信号的定时以及电压和电流的电气特性）。如果两个供应商遵守同一标准，则他们的设备就能协调工作。附录2中给出根据A S C I I标准赋给每个字符的位串。一个由E I A提出的标准已经被广泛接受，并被用于在计算机与调制解调器、键盘或终端之类的设备之间传输字符。E I A标准R S-2 3 2-C，常简称为R S-2 3 2（尽管后来的R S-4 2 2标准在功能上更好一些，但各种设备仍流行使用 R S-2 3 2，所以专业上仍使用老标准的名字），在详细说明电气特性（如用于传输的两个电压在-1 5 V+1 5 V

6、之间）的同时也说明了物理连接的细节（如连线必须在5 0英尺内）。由于R S-2 3 2被设计为用来与调制解调器或终端设备通信，它详细定义了字符（c h a r a c t e r）的传输，通常每个字符由7个数据位组成，但它也能用于传输8位的字符。R S-2 3 2定义了串行的异步通信。如果数据的各位在导线上逐位传输，通信被称为串行的（s e r i a l）（与串行通信相对的是并行（p a r a l l e l）通信，使用多根导线，并允许同时在每一根导线上传输一位，典型的计算机都有串行和并行输入输出端口）。正如上面的例子所示，R S-2 3 2允许发送方在任何时刻发送一个字符，并可在发送另一

7、个字符前延迟任意长的时间。不仅如此，一个给定字符的发送也是异步的，因为发送方与接收方之间在传输前并不协调彼此的行动。但是，一旦开始传输一个字符，发送硬件一次将所有的位逐个地全部送出，在位与位之间没有延迟。更重要的是，R S-2 3 2硬件并不在导线上保持零伏状态，当发送方不再发送时，它使导线处于一个负电压状态，而这代表位值为1。由于导线上在各个位的间隙之间并不回到零伏，接收方不能从电压的消失来标记一位的结束或另一位的开始。发送器和接收器必须使每一位上电压维持的时间完全一致。当字符的第一位到达时，接收器启动一个计时器，并且使用该计时器定时测量每一个后续位的电压。由于接收器并不能对线路的空闲状态和

8、一位真正的 1作出区分，R S-2 3 2标准要求发送器在传输字符的各位之前先传输一位额外的0，这一附加位就是我们所说的起始位（start bit）。虽然在一个字符结束与下一个字符开始之间的空闲时间可以持续任意长，但 R S-2 3 2要求发送方必须使线路保持空闲状态至少达到某一最小时间，通常所选定的最小时间就是传输一位所需的时间。这样，人们可以认为在每个字符后面总是跟有一位 1。在R S-2 3 2术语中，这一虚幻的位称为终止位（s t o pb i t）。图4-2中的波形图说明了在用 R S-2 3 2传输一个字符时导线上的电压是如何变化的。虽然例子中所显示的字符仅包含7位，R S-2 3

9、 2在传输中增加了起始位和终止位，这样整个传输需要9位。图中显示 R S-2 3 2用1 5 V表示1，+1 5 V表示0。用R S-2 3 2术语来说（R S-2 3 2所使用的术语来源于电报系统），一第4章 局域异步通信计计15下载电压+150-15idlestart 1011010stopidle时间图4-2 用R S-2 3 2传输字符时导线上的电压变化。起始位通知接收器字符开始，并且每一位持续相同的时间16计计计算机网络与因特网下载个负电压使导线处于一个标记（M A R K）状态，而一个正电压使导线处于一个置空（S PA C E）状态。在现代硬件中这些术语很少使用。我们可将R S-2

10、 3 2的主要性能归纳为：R S-2 3 2是在计算机与调制解调器或 A S C I I终端之间实现短距离异步串行通信的一个流行标准。R S-2 3 2在每个字符前用一位起始位作前导，在每个字符后跟随至少一位长的空闲时间（终止位），并且传输每一位都使用相同的时间。4.5 波特率、帧对齐和差错发送与接收硬件必须在每一位电压持续的时间长度上保持一致。在通信系统中，并不是指定每一位所持续的时间（通常是 1秒的一个很小的分数），而使用1秒中所能传输的位的数目来表示传输速率。例如早期的 R S-2 3 2通常以每秒3 0 0位的速率工作，而现在每秒 19 200位和每秒33 600位的速率更为常见。技术

11、上采用波特率（baud rate）表示传输硬件的工作速率，也就是每秒中硬件产生的电信号变化的次数。对简单的R S-2 3 2模式来说，波特率就等于每秒中传输的位数。这样，9 600波特率意味着每秒传输9 600位。第5章中将给出一个例子，在该例中每秒传输的位数可以大于波特率。为使R S-2 3 2硬件适应性更强，制造商通常将每一元件都设计成能在各种波特率下工作。波特率既能手工设置（如在安装计算机时设置硬件底板上的数字开关），也能由程序自动设置（如由计算机中的设备驱动软件设置）。如果发送和接收器未能设置成使用同样的波特率，接收器中的计时器就不会对每一位等待正确的时间长度，将会导致错误的发生。为检

12、测错误，接收器多次测量同一位的电压，并比较测量结果。若电压彼此不一致，或停止位并不在期待的时刻出现，接收器将报告出错，这类错误称为帧对齐差错（framing error），因为这一特性就象一幅奇怪尺寸的画无法合适地放入标准的画框中一样。R S-2 3 2硬件有时也能利用帧对齐差错。具体地说，A S C I I键盘经常包括一个B R E A K键，但B R E A K键并不产生一个A S C I I字符。当用户按下B R E A K键时，键盘使发送线在一个较长的时间内保持零状态，这一时间大约 2秒，远比传输一个字符所需的时间长。当接收器检测到线路变为0状态时，认为一个字符开始到达，并开始抽取其后

13、续的各位。但当字符的所有位都接收到时，接收器将期待线路回到1状态（期待一个停止位），当它未能发现停止位时接收器将报告帧对齐差错，而这可被接收系统所利用。例如，某些应用程序使用 B R E A K键作为终止程序的一种手段，每当用户按下 B R E A K键，系统将向使用键盘的程序报告一个帧对齐差错，而应用程序则将该错误解释成要求终止进程。4.6 全双工异步通信虽然我们描述了电流在一根导线中流动的情形，但所有的电路都要求两根导线电流从一根导线上流出，在另一根导线上返回。第二根导线通常称为接地线（g r o u n d）。这样，当R S-2 3 2使用双绞线连接时，一根导线用于传输信号，另一根作为接

14、地线提供返回路径。相似地，当信号在同轴电缆上传输时，从中心导线流出，而屏蔽层提供了返回路径。在许多R S-2 3 2应用中，数据必须同时双向流动。例如当 R S-2 3 2用于连接一个A S C I I终端和一台计算机时，字符从终端的键盘传向计算机的同时，也从计算机传向终端的显示屏幕。在两个方向上的同时传输就是我们所说的全双工传输（full duplex transmission），而单向传输则被称为半双工传输或单工传输（half duplex transmission或simplex transmission）。为实现全双工传第4章 局域异步通信计计17下载输，R S-2 3 2要求有一根导

15、线用于一个方向上的数据传输，另一根导线用于在相反方向上传输数据。而一根接地线用于在两个方向上提供回路。（译者注：两台设备的接地线对接，目的在于使两设备的接地电势相等，确保每位数据的判读。）事实上，R S-2 3 2已定义了一个2 5针的连接器（学名叫D B-2 5），并说明了硬件如何将这2 5根线用作控制或数据传输。例如，只要能够接收字符，接收器将向其中一根控制线提供电压而这根线在发送器这端将被解释为清除发送（c l e a rto send）。为降低成本，R S-2 3 2硬件可配置成忽略控制线并假定另一端处于正常工作状态。忽略控制信号的全双工连接经常被称为三线回路（three wire c

16、ircuit），因为它们只需要三根导线传输数据，两根分别用于双向信号传输，另一根作为公共的接地线。图4-3显示了三线回路。图4-3 RS-232全双工通信所需的最少连线。虽然两条线路独立传输数据，但它们共用一根接地线如图4-3所示，接地线直接从一个设备的接地端连向另一设备的接地端。但是，另两根导线相互交叉：一台设备的数据发送端连到另一台设备的接收端。为使连线更简单，设计者决定计算机与调制解调器在标准的2 5针连接器上采用相反的引脚计算机用引脚2发送，引脚3接收；而调制解调器用引脚3发送，引脚2接收（接地线用引脚7）。从技术上来说，这两种类型的连接器分别与计算机终端（computer termi

17、nal equipment，C T E）和数据设备终端（d a t aterminal equipment，D T E）相联系。这样，计算机与调制解调器之间连线包括一根引脚 2到引脚2的连线和一根引脚3到引脚3的连线。但是，连接两台计算机（即两台 C T E设备）的连线必须使用一根从引脚2到引脚3的连线和一根从引脚3到引脚2的连线，称为2-3交换（包含2-3交换的线缆称为空调制解调器，null modem。第5章将解释调制解调器的概念）。4.7 实际硬件的限制硬件能在导线上以多快的速率传输数据？图 4-2是一种理想的情况。实际上，没有一种电子设备能在瞬间将一个电压转换为另一个电压。而且，没有一

18、种导线能完美地传导电流当电流在导线上传输时信号能量会减弱。因此，电压的升或降都需要一小段时间，并且接收到的信号并不完整。例如，图4-4表示了传输一位数据时电压在实际通信时的变化情况。和大多数通信技术一样，R S-2 3 2认识到了实际硬件的缺陷，在标准中说明了发送器必须发出与标准波形相差多少的波形，接收器必须具备怎样的容错能力才算符合标准。例如，标准并未指定接收器必须在每一位的最开始处测量电压，相反，标准推荐在每一位的时间中部采样。这样，接收器将能接收图4-4所示的信号。4.8 硬件带宽与位串的传输了解了实际硬件不能瞬间改变电压这一事实也就解释了传输系统和位串传输速度有关的基数据数据TRGTR

19、G实际理想图4-4 由实际的传输设备在传输一位时发出的电压变化。实际上的电压变化经常要比本例更糟糕18计计计算机网络与因特网下载本性质。每个传输系统都有其自身的极限带宽（b a n d w i d t h），也就是硬件改变信号的最大速率。如果发送器企图以比带宽更高的速率改变信号，硬件将无法保持信号传输的正确性，因为在发送器企图送出下一个信号前没有足够的时间完成一次信号改变。这样，部分信号改变将会丢失。带宽用每秒周数（cycles per second）或赫兹（H z）来衡量。容易想象，带宽可被看成是硬件所能发出的最快的连续振荡信号。例如，一个带宽为 4 000Hz的传输系统，意味着系统的支撑硬

20、件能够发送任何频率小于或等于 4 000周的振荡信号。带宽的限制起因于物质与能量的物理性质，任何物理传输系统都只有一个有限的带宽。因此，任何使用无线电波、声波、光或电流的传输系统都只有一个有限的带宽（事实上，生物学系统也有带宽限制，如狗能听到人耳极限带宽之外的声音）。二十年代，一位研究者发现了带宽与系统每秒能传输的最大位数之间的基本关系，这就是我们所知道的奈奎斯特采样定理（Nyquist Sampling Theorem）。这一关系对数据传输的最大速率给出了一个理论上的上限。对R S-2 3 2那样采用两种电压编码数据的传输方案，奈奎斯特定理指出，在带宽为B的传输系统上所能达到的最大数据传输速

21、率以每秒位数表示时可达到 2B。更一般地，如果传输系统使用K种不同电压而不是两种，奈奎斯特定理指出，以每秒位数表示的最大数据传输速率D为：D=2 B l o g2K4.9 噪声对通信的影响奈奎斯特定理给出了一个实际无法达到的绝对最大值。实际上，工程师们已经观察到实际通信系统总是被一些称为噪声（n o i s e）的背景干扰所限制，而这些噪声使得达到理论极限传输速率成为不可能。1 9 4 8年，香农（Claude Shannon）推广了奈奎斯特的结果，指出了在噪声影响下传输系统所能达到的最大数据传输速率。香农的结果即香农定理可以描述为：C=B l o g2（1+S/N）其中C是用每秒位数表示的线

22、路容量的实际限制值，B是硬件带宽，S是平均信号强度，N是平均噪声强度。通常信噪比S/N并不直接表示，工程师大多使用数值1 0 l o g1 0S/N，它的单位为分贝（d e c i b e l），缩写为d B。例如，如果S/N的比值为1 0 0，对应分贝值则为20 dB，如果S/N的比值为1 0 0 0，对应分贝值则为30 dB，4.10 数据传输率对数据联网的重要性奈奎斯特定理和香农定理对设计网络的工程师都有很大的影响。奈奎斯特的工作促使人们寻求用信号对位串进行编码的复杂方法：奈奎斯特的工作促使工程师寻求用信号对位串进行编码的方法，因为巧妙的编码方法允许在单位时间内传输更多的数据位。从某种角

23、度来说，香农定理更为根本，因为它通过物理定律得到了一个数据传输速率的绝对上限。传输线路上的大多数噪声都可以归结到热力学因素：香农定理告诉工程师在实际通信系统中，不管怎么巧妙的编码方式都不能突破物理定律对最大每秒传输位数的根本限制。从实际的角度来看，香农定理可以解释在语音电话线路上所能达到的最大数据传输速率。语音电话系统的信噪比大约为30 dB，带宽大约为3 0 0 0 H z，根据香农定理，通过这样一个系统所能达到的最大数据传输速率为：C=3000 log2（1+1000）大约为30 000bps。对工程师来说这是一个根本的限制只有提高信噪比才有可能达到更高的数据传输速率。4.11 小结广义来

24、说，异步通信允许发送方在任何时刻发送数据，并在再次发送前间隔任意长时间。从技术上来说，如果电信号中不包含接收方能用于确定位串开始或结束的信息，则通信硬件是异步的。R S-2 3 2标准最初设计用来定义计算机与调制解调器之间的交互，现已经成为使用最广泛的短距离异步字符传输标准。R S-2 3 2还用于键盘与计算机之间的通信以及通过计算机串行口所进行的通信。根据R S-2 3 2标准，发送器必须在没有数据发送时使通信线保持负电压。发送器在每个字符前由一位起始位引导而在每个字符后跟至少一位停止位。起始位通知接收器字符即将到达，终止位使得接收器能够检测字符的所有各位是否在规定时间内全部到达。由于用于通

25、信的任何物理系统在改变其状态方面都有其速度极限，所以物理系统并不能以任意快的速度传输位串。例如，电子元件并不能在导线上即时改变电压。硬件改变其状态的极限速率就是硬件的带宽；一个传输系统的带宽是可以测量的。研究者已经发现了两个基本关系，奈奎斯特定理给出了硬件带宽与理论上最大数据传输速率之间的关系；香农定理给出了存在噪声情况下的最大数据传输速率。练习4.1 波特率的命名是为了纪念Emile Baudot，说出谁是B a u d o t，他对通信系统的贡献是什么？4.2 画出单词b i t以A S C I I形式在R S-2 3 2连线上传输的波形图。提示：附录 2中有7位A S C I I字符编码

26、。4.3 假定某人用9 600波特率的R S-2 3 2方式发送了10 000个7位字符，问传输需要多少时间？（提示：每个字符都有一个起始位和一个终止位。）4.4 在一个带宽为4 000Hz并用4种电压对数据编码的传输系统上，用奈奎斯特定理计算其最大数据传输速率。4.5 阅读R S-2 3 2的硬件资料，在D B-2 5连接器上，每根线的作用分别是什么？4.6 一些计算机上的串行口使用少于 2 5针的接头。阅读用于P C串行口的D B-9连接器的资料，如果R S-2 3 2使用D B-9接头，哪些信号被忽略了？4.7 阅读R S-2 3 2的硬件资料，硬件每位采样多少次？4.8 在上题中，计算硬件速率和R S-2 3 2标准的误差必须保持在什么范围内才能成功传输数据？发送方的硬件定时如比接收方所期待的快5%，接收方能否正确接收数据？4.9 若R S-2 3 2的接收器和发送器被编程设定为以不同的波特率工作，会出现什么问题？为找出答案，可用一根串行线连接两台计算机，并令其速率不相等（不会损坏硬件）。4.10 绝大多数的R S-2 3 2硬件允许所在的计算机设定数据传输速率以及停止位的个数。若发送方使用两位停止位，而接收方使用一位停止位，数据传输是否正确？如果正确，使用额外的停止位的不利之处是什么？第4章 局域异步通信计计19下载