第3章數(shù)據(jù)通信與通信網(wǎng)基礎(chǔ)(2)

1、3.53.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)若H1與H5通信，則A與E分別稱源結(jié)點與宿結(jié)點。通信子網(wǎng)必須能為所有進網(wǎng)的數(shù)據(jù)流提供從源結(jié)點到宿結(jié)點的通路，而實現(xiàn)這種數(shù)據(jù)通路的技術(shù)就稱為數(shù)據(jù)交換技術(shù)。 從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。電路交換是面向連接的。電路交換是面向連接的。 在線路交換和轉(zhuǎn)接過程中，通信的雙方首先必須通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建立起專用的通信信道，即在兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間建立起實際的物理線路連接，然后，雙方使用這條端到端的線路進行數(shù)據(jù)傳輸。如電話通信系統(tǒng)。33.5.1 1 電路交換電路交換(CIRCUIT SWITCHING)(CIRCUIT SWITCHI

2、NG) 利用電路交換進行通信利用電路交換進行通信過程過程 電路建立電路建立 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 拆除電路拆除電路特點特點電路建立時間延遲大電路建立時間延遲大線路利用率低線路利用率低傳輸實時性、透明性好傳輸實時性、透明性好適合于遠程批處理信息傳輸和適合于遠程批處理信息傳輸和實時性要求高的場合實時性要求高的場合報文(message) (message) ：站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。工作原理：“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”。發(fā)送端將一個目的地址附加在報文上發(fā)送出去；每個中間節(jié)點先接收整個報文，檢查無誤后暫存這個報文（存儲），然后根據(jù)報文的目的地址，選擇一條合適的空閑輸出線路將整個報文傳送給下一節(jié)點（

3、轉(zhuǎn)發(fā)）；直至目的節(jié)點。 33.5.2 2 報文交換和報文分組交換報文交換和報文分組交換1.1.報文交換報文交換在報文交換方式中，當一個站點要發(fā)送數(shù)據(jù)給另一個站點時，不需要事先在兩站之間建立專用通路。 報文交換的特點 線路利用率高 ，故障的影響小 不需要收、發(fā)兩端同時處于激活狀態(tài) 延遲時間長，不適合于對實時性要求強的傳輸，例如：會話或?qū)崟r轉(zhuǎn)播等。 報文長度不限 對中間節(jié)點的要求高，例如：存儲能力或處理能力等。 通信不可靠、失序有時中間節(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲或不能及時轉(zhuǎn)發(fā)時，就不得不丟棄報文；而且發(fā)出的報文不按順序到達目的。報文交換的主要缺點每一個結(jié)點對報文數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)時間較長，傳輸一份

4、報文的 總時間并不比采用線路交換方式短，或許會更長。因此，報文交換不適于傳輸實時的或交互式業(yè)務(wù)，例如話音、傳真飛終端與主機之間的會話業(yè)務(wù)等。事實上，報文交換只是主要應(yīng)用 于非計算機數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) （ 如民用電報業(yè)務(wù) ） 的通信網(wǎng)中，以及公共數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)展的初期。2. 2. 分組交換分組交換(packet switching) (packet switching) 分組交換將用戶的大報文分成若干個報文分組分組交換將用戶的大報文分成若干個報文分組( (包包) )，并以報文分組為單位在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。每一個報文分組均含并以報文分組為單位在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。每一個報文分組均含有數(shù)據(jù)和目的地址，同一個報文的不同分組可以在不

5、同的有數(shù)據(jù)和目的地址，同一個報文的不同分組可以在不同的路徑中傳輸，到達終點以后，再將它們重新組裝成完整的路徑中傳輸，到達終點以后，再將它們重新組裝成完整的報文。報文。特點： 開銷大（地址信息），適應(yīng)少量數(shù)據(jù)的傳送。 每個數(shù)據(jù)報（即分組）必須攜帶詳細的地址信息。 通信不可靠、失序。 故障的影響小。數(shù)據(jù)報可以繞開故障區(qū)而到達目的地。 高效高效 動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 靈活靈活 以分組為傳送單位和查找路由。 迅速迅速 不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬。 可靠可靠 完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；自適應(yīng)的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。三種交換的比較三種交換的比較3.5.3

6、 高速交換技術(shù)幀中繼交換幀中繼交換幀中繼是一種減少結(jié)點處理時間的技術(shù)。幀中繼以幀為單位進行交換，又稱為快速分組交換異步傳輸模式異步傳輸模式 ATMATM以信元為基本傳輸單位，主要采用了信元交換和異步時分多路復(fù)用技術(shù)?？梢詣討B(tài)分配帶寬，因此非常適合于輸出突發(fā)性數(shù)據(jù)。3. 6 數(shù)據(jù)通信的主要性能指標3.6.1 3.6.1 數(shù)據(jù)傳輸速率與信道帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率與信道帶寬1. 基本概念基本概念 信道帶寬信道帶寬 帶寬是指物理信道的頻率寬度，即信道允許的最高頻率帶寬是指物理信道的頻率寬度，即信道允許的最高頻率和最低頻率之差，單位為赫茲和最低頻率之差，單位為赫茲(Hz)(Hz)。信道帶寬則限定了允許通過該信

7、道的信號下限頻率和上限頻率，也就是限定了一個頻率通帶。 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率指單位時間內(nèi)信道上傳送的信息量，單位為比特/秒(bit/second)，記作bps。周期信號的周期信號的 FOURIER FOURIER 分析分析一切周期信號都可以由正弦波、余弦波疊加而成。這些波的頻率由低到高分別為：分別稱為一次、二次、三次。所有這些頻率構(gòu)成 S(t) 的。 稱為，T 稱為信號周期。周期信號的全部頻率(及其相應(yīng)的振幅和初始相位)稱為()。信號頻率區(qū)間的大小，即頻譜的寬度稱為()。2. 2. 信道最大傳輸速率信道最大傳輸速率信道容量及信道容量及 NYQUIST NYQUIST 原理原理問題：一個模擬

8、信號對脈沖載波進行 調(diào)制，就得到相應(yīng)的數(shù)字信號，這是采樣。從采樣得到的數(shù)字信號能否恢復(fù)原模擬信號？話音頻率4000Hz，采樣率 8000次/秒。從采樣定理可以得到信道帶寬與信道的數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系 M 最大數(shù)據(jù)率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps D =2W log2 KD = 傳輸率，單位b/s或bpsW = 帶寬，單位HzK = 信號電平級數(shù)例如：話音級線路(3000 Hz)的信道容量計算，如右圖所示。Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高速率提供了依據(jù)。非理想信道實際的

9、信道上存在三類損耗：衰減、延遲、噪聲。a）衰減 信道的損耗引起信號強度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。b）延遲 信號中的各種頻率成分在信道上的延遲時間各不相同，在接收端會產(chǎn)生信號畸變。c）噪聲 熱噪聲：由導(dǎo)體內(nèi)的熱擾動引起，又稱為白噪聲。 串擾：信道間產(chǎn)生的不必要的耦合。例：多對雙絞線 脈沖噪聲：非連續(xù)、隨機、振幅較大。多由外部電磁干擾造成（閃電、大功率電機啟動等）。 噪聲將破壞信號，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時間0.01s的干擾可以破壞約560個比特（56Kbps）。(香農(nóng)) 考慮了信道有熱噪聲的情況設(shè)S S/ /N N 是信噪比，S S是信號功率，NN是噪聲功率，則例：信道帶寬W=3KHz，信噪比為30d

10、B，則C=3000*log2(1+1000) 30KbpsNyquist公式和Shannel公式的比較 D = 2W log2K說明數(shù)據(jù)傳輸率D隨信號編碼級數(shù)增加而增加。 C = W log2(1+S/N)說明信道能達到的最高傳輸速率。對于一個物理信道而言，如果帶寬、噪聲、傳輸介質(zhì)等已經(jīng)確定，那么按照香農(nóng)定理，其最大傳輸速率（極限速率）也就確定了，采用不同的調(diào)制技術(shù)，可以得到不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，但總是小于香農(nóng)定義的極限速率。反過來，如果噪聲、傳輸介質(zhì)、調(diào)制技術(shù)等都已確定，那么帶寬越寬（如從10MHz擴充到20MHz），意味著數(shù)據(jù)傳輸速率越高。3.6.2 3.6.2 誤碼率誤碼率P Pe e誤碼

11、率是指二進制碼元在數(shù)據(jù)傳輸中被傳錯的概率，也誤碼率是指二進制碼元在數(shù)據(jù)傳輸中被傳錯的概率，也稱為稱為“出錯率出錯率”。誤碼率是衡量通信系統(tǒng)在正常的工作情況下傳輸可靠性的指標傳輸延遲傳輸延遲 信息傳輸?shù)难舆t指數(shù)據(jù)從信源（源計算機）到信宿（目的計算機）所花費的時間。信息傳輸?shù)难舆t時間主要與發(fā)送和接收處理時間、電信號響應(yīng)時間、中間轉(zhuǎn)發(fā)時間以及信道傳輸延遲時間有關(guān)。 ReturnReturn3.6.3 影響信道質(zhì)量的其他因素3.73.7通信網(wǎng)簡介通信網(wǎng)簡介3.7.1 公用電話交換網(wǎng)（公用電話交換網(wǎng)（PSTN）主要提供語音通信服務(wù)，同時提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)PSTN以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)的電路交換網(wǎng)絡(luò)。通信時，借助

12、于modem實現(xiàn)。 PSTN的主要作用是通過程控交換機之間的連接，實現(xiàn)用戶之間的語音和數(shù)據(jù)通信。按功能分類： PSTN由國際交換局、長途交換局、中心交換局、端交換局和用戶等層次按系統(tǒng)構(gòu)成分類：PSTN由交換設(shè)備不可缺少的，反映并決定PSTN的連接能力。主要有程控交換機、計算機交換機傳輸媒體與交換機設(shè)備構(gòu)成完整的傳輸系統(tǒng)用戶設(shè)備指信源和信宿設(shè)備，是用戶直接使用的信令系統(tǒng)實現(xiàn)用戶間通信 3.7.2 公用分組交換網(wǎng)公用分組交換網(wǎng)采用采用X.25協(xié)議，又叫協(xié)議，又叫X.25網(wǎng)網(wǎng)nX.25是一種老式的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，應(yīng)用在線路質(zhì)量不可靠的模擬電話線路上，協(xié)議的很大部分集中在尋址、流量控制、差錯校驗等一系列

13、問題上，效率很低，速率一般小于或等于60Kbps。nX.25協(xié)議是ITUT制定的“在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)上以分組方式工作的數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）之間的接口”規(guī)范nX.25的分組有兩類，即控制分組和數(shù)據(jù)分組。虛電路的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁靠刂?、虛電路的拆除等，都要用到控制分組。每個X.25分組由分組頭部和分組的數(shù)據(jù)部分組成。X.25由分組交換機、用戶接入設(shè)備和傳輸線路組成。由分組交換機、用戶接入設(shè)備和傳輸線路組成。3.7.33.7.3 數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)（數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）是一種利用數(shù)字信道（光纖、數(shù)）是一種利用數(shù)字信道（光纖、數(shù)字微波、衛(wèi)星）和數(shù)字交叉復(fù)用技術(shù)組成

14、的、以傳輸數(shù)字字微波、衛(wèi)星）和數(shù)字交叉復(fù)用技術(shù)組成的、以傳輸數(shù)字信號為主的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。信號為主的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。DDN簡稱專線。我國的簡稱專線。我國的DDN網(wǎng)叫網(wǎng)叫chinaDDN，一般提供，一般提供N64Kbps的數(shù)據(jù)速的數(shù)據(jù)速率，目前最高為率，目前最高為2Mbps，由，由DDN交換機和傳輸線路組成。交換機和傳輸線路組成。DDN主要用于點對點的局域網(wǎng)連接。 DDN本身是一種數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，支持任何通信協(xié)議。 DDN與X.25的區(qū)別： X.25是一個分組交換網(wǎng)，本身具有三層協(xié)議，用呼叫建立虛電路，具有協(xié)議轉(zhuǎn)換、速率匹配等功能，適用不同通信規(guī)程、不同通信速率設(shè)備之間建立互連； X.25只在高

15、層協(xié)議上透明。 X.25按通信字節(jié)收費。 DDN不具備交換功能，利用DDN的主要方式是租用專線， DDN是全部透明的網(wǎng)絡(luò)，在速率大于64Kbps時采用復(fù)用技術(shù)。 DDN按固定月租收費。 DDN具有支持數(shù)據(jù)、語音、圖像等信息傳輸，傳輸速率高、延時小、傳輸質(zhì)量高、信道利用率高、傳輸距離遠等特點。3.7.43.7.4 幀中繼網(wǎng)幀中繼網(wǎng)n幀中繼是一種支持HDLC規(guī)程規(guī)程的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標準，由X.25分組交換技術(shù)演變而來，與X.25相比，不再強調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕赜跀?shù)據(jù)的快速傳輸，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。幀中繼是一種快速分組交換技術(shù)。n幀中繼省略了X.25的分組層，以數(shù)據(jù)鏈路層的幀為基礎(chǔ)實現(xiàn)多條

16、邏輯鏈路的統(tǒng)計復(fù)用和轉(zhuǎn)換。幀中繼網(wǎng)由三部分組成：幀中繼網(wǎng)由三部分組成：幀中繼接入設(shè)備（幀中繼接入設(shè)備（FRAD）是具有幀中繼接口的任何類型的接入設(shè)備，如主機、分組交換機、路由器等幀中繼交換設(shè)備。幀中繼交換設(shè)備。有幀中繼交換機、具有幀中繼接口的分組交換機及其他復(fù)用設(shè)備,為用戶提供標準的幀中繼接口。公用幀中繼業(yè)務(wù)。公用幀中繼業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)是通過用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）提供的， UNI的用戶一側(cè)是幀中繼接入設(shè)備，用于本地用戶設(shè)備接入幀中繼網(wǎng)絡(luò)；另一側(cè)是幀中繼交換設(shè)備，用于幀中繼接口與骨干網(wǎng)之間的連接。幀中繼的主要目標是為局域網(wǎng)互聯(lián)提供合理的速率和幀中繼的主要目標是為局域網(wǎng)互聯(lián)提供合理的速率和較低的價格。

17、采用兩種關(guān)鍵技術(shù)：較低的價格。采用兩種關(guān)鍵技術(shù)：虛擬租用線路虛擬租用線路：所謂虛擬租用線路是與專線方式相對而言的。例如一條總速率640KbPS的線路，如果以專線方式平均地租給10個用戶，每個用戶最大速率為64KbpS，這種方式有兩個缺點，一是每個用戶速率都不可以大于64KbpS，二是不利于提高線路利用率。采用虛擬租用線路的情況就不一樣了，同樣是640KbpS的線路租給十個用戶，每個用戶的瞬時最大速率都可以達到640KbpS，也就是說，在線路不是很忙的情況下，每個用戶的速率經(jīng)?？梢猿^64KbPS，而每個用戶承擔(dān)的費用只相當于64KbPS的平均值。 “流水線流水線”方式方式：指數(shù)據(jù)幀只在完全到達

18、接收節(jié)點后再進行完整的差錯校驗，在傳輸中間節(jié)點位置時，幾乎不進行校驗，盡量減少中間節(jié)點的處理時間，從而減少了數(shù)據(jù)在中間節(jié)點的逗留時間。每個中間節(jié)點所做的額外工作就是識別幀的開始和結(jié)尾。X.25的每個中間節(jié)點都要進行繁瑣的差錯校驗、流量控制等，這主要是因為它的傳輸介質(zhì)可靠性低所造成的。幀中繼正是因為它的傳輸介質(zhì)差錯率低才能夠形成“流水線”工作方式。3.7.5綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）n以電話綜合數(shù)字網(wǎng)為基礎(chǔ)發(fā)展而成的通信網(wǎng)，以公用電話交換網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，即利用電話線進行數(shù)據(jù)傳輸。它提供端到端的數(shù)字連接承載包括語音和非語音在內(nèi)的多種電信業(yè)務(wù)。它的基本特性是在各用戶之間實現(xiàn)64Kbp

19、S或 128KbpS速率為基礎(chǔ)的端到端的透明傳輸。nISDN的速率和接口標準：基本速率接口基本速率接口，即2B十D，其中B為64KbpS的數(shù)字信道，D為16KbpS的控制數(shù)字信道；機群速率接口機群速率接口，即30BD或23BD，其中B和D均為64KbpS的數(shù)字信道。B信道主要用于傳送用戶信息流，D信道主要用于傳送電路交換的信息或傳送分組交換的數(shù)據(jù)信息。目前，電信部門采用的接口標準是2B十D，即兩個數(shù)字信道。由于由于ISDN完全采用數(shù)字完全采用數(shù)字信道，因而能獲得較高信道，因而能獲得較高的通信質(zhì)量與可靠性。的通信質(zhì)量與可靠性。同時，同時，ISDN為今后可能為今后可能出現(xiàn)的新的通信業(yè)務(wù)提出現(xiàn)的新的

20、通信業(yè)務(wù)提供了可擴展性供了可擴展性傳統(tǒng)的電信網(wǎng)向ISDN發(fā)展的過程 ISDN具有如下優(yōu)點：具有如下優(yōu)點：速率快。通常調(diào)制解調(diào)器傳輸速率最高不超過56KbpS，而目前電信部分開設(shè)的2BD在使用一個信道（即IB）時傳輸速率是64Kbps，而使用兩個信道（2B）時的傳輸速率為128Kbps?？煽啃詮?。ISDN將您和電話線之間的最后100英尺變成數(shù)字連接。ISDN的數(shù)字傳輸比模擬傳輸受靜電和噪音的影響要小，傳輸數(shù)據(jù)更加安全可靠?？蛇m用的領(lǐng)域?qū)挘渲邪ㄓ嬎銠C聯(lián)網(wǎng)、遠程通信、文件交換、工作站語音通信、圖像傳送、多媒體信息存取等。 可同時執(zhí)行多個通信任務(wù)，在一條ISDN電話線上可以用一條信道保持聲音通 話

21、，用另一條信道上網(wǎng)。3.7.6 非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL） 利用普通電話線進行高速數(shù)據(jù)傳輸。ADSL技術(shù)提供的數(shù)據(jù)傳輸速率是不對稱的，下行速率是：158MbpS，而上行速率最高只有 1Mbps。ADSL的最大傳輸距離為 5.5km。 與電話撥號和ISDN撥號相比，除傳輸速度快的優(yōu)點之外，ADSL它采用的是專線的連接方式，ADSL調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)總是處于連接的狀態(tài);另一方面，ADSL可以做到打電話和上網(wǎng)同時進行。ISDN的電話通信是在ISDN信道上實現(xiàn)的，因而本地斷電的時候會造成無法打電話的問題，ADSI無論是否有電，都不用擔(dān)心。 ADSL設(shè)計目的有兩個功能：高速數(shù)據(jù)通信

22、和交互視頻。數(shù)據(jù)通信功能可為因特網(wǎng)訪問、公司遠程計算或?qū)Ｓ玫木W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。交互視頻包括高速網(wǎng)絡(luò)視頻通信的視頻點播（VOD）、電影、游戲等3.7.7 有線電視網(wǎng)絡(luò)（有線電視網(wǎng)絡(luò)（cable television network） 以有線電視使用的寬帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，利用有線電視網(wǎng)（CATV）提供高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹V域網(wǎng)連接技術(shù)。電纜調(diào)制解調(diào)器（cable modem）除了提供視頻信號業(yè)務(wù)外，還能提供語音、數(shù)據(jù)等寬帶多媒體信息業(yè)務(wù)。這種技術(shù)也具有不對稱的特性，上行速率是 768Kbps，下行速率最高可以達到 38Mbps。在使用 cable modem技術(shù)時，須對現(xiàn)有CATV系統(tǒng)進行雙向改造，使之成

23、為HFC系統(tǒng)，即雙向系統(tǒng)。1. 1. 差錯的分類差錯的分類 熱噪聲差錯：熱噪聲差錯：由傳輸介質(zhì)的電子熱運動產(chǎn)生的。這類干擾信號的特點是：時刻存在，但幅度較小，對傳輸信號的影響較弱，提高傳輸介質(zhì)質(zhì)量是消除這類干擾的有效辦法。 沖擊噪聲差錯：沖擊噪聲差錯：由外界電磁干擾引起的，這類干擾信號的出現(xiàn)無任何規(guī)律可言，而且幅度較大，是引起傳輸差錯的主要原因。3.8 差錯控制技術(shù)2. 2. 差錯控制差錯控制在接收端對收到的數(shù)據(jù)進行檢測，并進行糾正。這種方法在通信系統(tǒng)中稱為差錯控制。無差錯傳輸通常采用的兩種控制技術(shù)無差錯傳輸通常采用的兩種控制技術(shù)(1)(1) 檢錯法：檢錯法：讓每個傳輸分組帶上足夠的檢測信息，以便在接收端能發(fā)現(xiàn)錯誤并根據(jù)這些附加的檢測信息還原出原始信息(2) (2) 糾錯法糾錯法( (又稱為正向糾錯法又稱為正向糾錯法) ) ：讓分組中附加一定的檢測信息，使接收端能夠發(fā)現(xiàn)接收的信號中有錯誤，但不能確定哪一位是錯誤的，只能通知發(fā)送方要求重發(fā)33. 常用檢錯碼常用檢錯碼 水平奇偶校驗水平奇偶校驗以字符為單位的校驗方法。以字符為單位的校驗方法。在每個字節(jié)的尾部加上一個校驗位，構(gòu)成帶有校驗位的碼組，使得碼組中1的個數(shù)為偶數(shù)個（偶校驗）或奇數(shù)個（奇檢驗