計算機通信網絡之現代通信網及其交換技術

現代通信網及其交換技術重點掌握：電路交換與分組交換的基本原理；二種交換技術的各自特點及優(yōu)缺點數據通信的基礎知識

1.1

數據通信系統的模型1.2

有關信道的幾個基本概念1.3

信道的極限容量1.4

信道的極限信息傳輸速率傳輸系統輸入信息輸入數據

發(fā)送的信號

接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器PC

機公用電話網數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字

數據通信的基礎知識1.1

數據通信系統的模型

數據通信系統

調制解調器源系統調制解調器

目的系統傳輸系統輸出信息PC

機幾個術語數據(data)——運送消息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現?！澳M的”(analogous)——代表消息的參數的取值是連續(xù)的?！皵底值摹?digital)——代表消息的參數的取值是離散的。碼元(code)——在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。1.2

有關信號的幾個基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息?；鶐?baseband)信號和

帶通(band

pass)信號基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬于基帶信號?；鶐盘柾休^多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調制(modulation)。帶通信號——把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）。幾種最基本的調制方法基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制(modulation)。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。調相(PM)

：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。對基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相

(r,

?)r可供選擇的相位有

12

種，而對于每一種相位有

1

或2

種振幅可供選擇。

?

由于4

bit

編碼共有16

種不同的

組合，因此這

16

個點中的每個

點可對應于一種

4

bit

的編碼。若每一個碼元可表示的比特數越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。

正交振幅調制

QAM(Quadrature

Amplitude

Modulation)

舉例1.3

信道的極限容量任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。數字信號通過實際的信道有失真，但可識別

實際的信道

（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形失真大，無法識別

實際的信道

（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形(1)

信道能夠通過的頻率范圍1924

年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。(2)

信噪比香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率

C

可表達為

C

=

W

log2(1+S/N)

b/sW

為信道的帶寬（以

Hz

為單位）；S

為信道內所傳信號的平均功率；N

為信道內部的高斯噪聲功率。香農公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。請注意對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。電路交換---提供實時語音業(yè)務

分組交換---提供非實時數據業(yè)務隨著寬帶綜合通信網的出現

提供語音、數據、圖像相結合的綜合服務成為可能通信網可能采用的交換方式電路交換多速率電路交換快速電路交換信元交換幀中繼幀交換分組交換快速分組交換固定比特率可變比特率

現代通信網交換技術我們通常將網絡節(jié)點以某種轉接方式來實現數據通路接續(xù)的技術稱為交換；3.1

電話網與電路交換3.1.1

電話網的分級結構采用本地接入、長途中繼和國際出入的分級結構圖3-2

我國電話網的分級結構國際網長途網本地網用戶國際出入口局一級交換中心二級交換中心三級交換中心四級交換中心匯接局端局用戶電話網組網要求要在分級網的每一層次上，在傳輸成本和交換成本之間折衷在本地網中，設置交換中心可以大大減少連接各個用戶的線路考慮交換中心覆蓋范圍與交換中心總數間的折衷設置多級的長途交換中心，可以減少相距較遠的交換中心之間的直接線路數，從而減少了中繼線的成本，需要大容量的長途交換機電話網與電路交換

電路交換

電路交換的概念全連通網星型網定義：指交換系統為通信的雙方尋找并建立一條

全程物理通路，以供雙方傳輸信息，直到信

息交換結束3.1.2

電路交換基本原理交換節(jié)點ABCD尋找輸出線路時間

呼叫處理時撥號及有關處理時間

呼叫建立時

延

間

傳播時延

信息傳輸釋放連接

電路交換示意圖電路交換的特點優(yōu)點時延小對用戶透明吞吐量缺點必須有一個呼叫建立的過程（時延較大）專供通信的雙方使用，占用固定的帶寬，信道帶

寬的利用率低，特別是不適合具有突發(fā)性的計算

機數據的傳輸。電路交換不能適應網絡發(fā)展的需求。電路交換的分類空分交換(Space-Division

Switching)交換矩陣來實現可實現多級交換網絡交換容量受限制時分交換(Time-Division

Switching)時隙交換TSI:Time-Slot

Interchange縱橫制空分交換示意圖n輸出m輸入點到多點連接實現結構之一——空分交換

所謂空分交換，是指輸入鏈路按空間分布來

安排所需要的輸出鏈路

。存在問題：當輸入、輸出鏈路數目增加時，交換網絡的交叉點個數將按鏈路數的閉合交叉點平方關系增長，

控制結構復雜化?？辗侄嗉壗粨Q矩陣（可以減少交叉點數量）m=16用三級交換單元的互連構造交換網絡m╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳l第一級第二級第三級第一級第二級第三級l=2個交換單元

l=3個交換單元k條(a)(b)當前無法顯示此圖像。m×nm×m當前無法顯示此圖像。實現結構之一——時分交換

所謂時分交換，是指輸入鏈路按時間順序來安排所

需要的輸出鏈路。又稱為時隙交換。5172輸入幀0

13

4

時隙354045701326567012344162輸出幀

5

0

3

4

時隙15762730

2

6

6

7順序寫入緩沖待映射的輸出時隙號緩沖器m項的時隙映射表排序從緩沖讀出虛線表示輸入/輸出連接

時分交換示意圖

輸入時隙1中的數字為5，表明需要在輸出幀中的時

隙5內，從緩沖器的第1號存儲區(qū)間中讀出信息。3.2

數據網與分組交換3.2.1

電路交換不適合計算機通信

傳輸效率很低（計算機數據是突發(fā)性和間歇式

出現在傳輸線路上的）

建立電路的呼叫過程時延太長

難以適應計算機和各種終端傳輸速率不一致等

情況

難以實施差錯控制措施

存在呼叫損失現象3.2.2

存儲—轉發(fā)機制存儲-轉發(fā)機制：不需要通過呼叫建立起物理的端到端的接續(xù)通路，而是以接力方式將用戶數據在交換節(jié)點之間逐段地傳送，直到到達目的地。適合計算機通信的特點：（1）提高鏈路帶寬或節(jié)點中的緩沖器等網絡資源的利用率（2）提高系統的可靠性（3）便于用戶對高層信息資源的共享（4）便于計算機處理（5）減少信息的重傳主要優(yōu)點：提供可共享的網絡資源

缺點：引入交換時延3.2.3

從報文交換到分組交換根據交換數據單元長度的不同，存儲-轉發(fā)交換主要有兩種實現方式:報文交換（message

switching）分組交換（Packet

Switching）報文：包含了將要發(fā)送的完整的數據信息，其長度很不一致；（電子郵件/文本文件/應答信息等）分組：一段長的報文，可被分割、裝配成多個較短的數據單元，每個單元稱為分組（packet）1．報文交換（Message

Switching）報文報文ABCD存儲—轉發(fā)時延

傳輸時延傳播時延端到端報文時延

報文

報文交換示意圖交換節(jié)點報文信息報文的起始標志和報文長度有效數據的開始標志數據的源端地址控制信息報文編號端到端時延傳輸時延、傳播時延和存儲-轉發(fā)時延存儲-轉發(fā)時延：排隊等待時間、存入中間節(jié)點的處理時間和從存儲器送到輸出鏈路的處理時間報文交換

報文交換是以報文作為傳送單元，由于報文長度差

異很大，長報文可能導致很大的時延，并且對每個

節(jié)點來說緩沖區(qū)的分配也比較困難，為了滿足各種

長度報文的需要并且達到高效的目的，節(jié)點需要分

配不同大小的緩沖區(qū)，否則就有可能造成數據傳送

的失敗。

實際應用報文交換主要用于傳輸報文較短、實時性要求較低

的通信業(yè)務，如公用電報網。報文交換比分組交換

出現的要早一些，分組交換是在報文交換的基礎上，

將報文分割成分組進行傳輸，在傳輸時延和傳輸效

率上進行了平衡，從而得到廣泛的應用。

報文交換不適合于實時性要求高的業(yè)務2．分組交換（Packet

Switching）ABCD存儲—轉發(fā)時延傳輸時延傳播時延傳輸整個報文的端到端總時延交換節(jié)點分組1

分組2分組3分組1分組2分組3分組1分組2分組3分組交換的好處是“管道化”

(Pipelining)分組交換示意圖分組交換原理分組的概念是1967年由英國的國家物理實驗室NPL提出的。分組的概念以及分組交換網絡在現代通信網中占有非常重要的地位。分組=分組頭+信息包用戶數據被切分成多個信息包，每個包加上分組頭，形成分組。分組交換的特點與報文交換的區(qū)別處理的數據單元的長度不同，一段長報文需要被分割、裝配成多個較短的數據單元，這些單元就是分組。分組交換的優(yōu)點“管道化”優(yōu)勢，提高傳輸效率時延大大低于報文交換差錯控制更有效，提高通信效率減少擁塞，提高網絡可靠性分配優(yōu)先權分組的處理目的節(jié)點收到分組后作如下處理：卸掉分組頭部和校驗序列，得到分組數據，寫入緩沖器根據分組編號檢查構成一個完整報文的所有分組是否到齊若報文的所有分組到緩沖器，則進行報文重組；否則，等待其他分組到達報文組裝完成后，通知用戶接收此報文；同時向發(fā)送方返回一個確認信息。分組交換兩種交換機制數據報（無連接方式）每個分組獨立處理，獨自選擇在網絡中傳輸的路由虛電路（面向連接方式）首先要建立鏈路，所有分組均在這個連接上進行傳送，幀順序和路徑都是確定的。電路交換與分組交換3．快速分組交換（Fast

Packet

Switching）（1）大大縮短分組的長度。例如異步傳輸模式（ATM）（2）盡量簡化或取消在低層次上對數據單元的差錯控制、流量控制和路由選擇等操作，提高數據傳輸與交換效率。而對數據可靠性的要求，則由端到端的較高層協議來保證。（3）為了保留電路交換的面向連接的特點，可利用虛電路及虛通道方式來實現端到端面向連接的數據傳輸。（4）充分利用超大規(guī)模集成電路以及并行處理和分布式控制等技術，以硬件結構來實現節(jié)點交換機的交換模塊和協議控制模塊。

幀中繼

ATM復用技術在復用系統中，n個設備共享一條鏈路。復用器將這些流量組合成一個單獨的傳輸流（多合一），多路分解器接受并分解成原來的幾個獨立傳輸流（一分多）導向所期望的設備。3.2.4

異步復用、標記交換與虛電路

復用技術分類

信號通過三種基本技術進行復用：頻分復用、時分復用和

波分復用。時分復用又分為同步時分復用和異步時分復用。

多路復用頻分復用

波分復用

時分復用

碼分復用同步異步時分多路復用時分多路復用是一個數字化過程，當傳輸介質的數據速率容量大于發(fā)送和接收設備所需要的數據速率時就可以采用它。利用時間分片方式來實現傳輸信道的多路復用，將傳輸媒體分成不同的周期，每個周期再分成不同的時間片，將每個時間片分給固定的用戶使用。異步復用、標記交換與虛電路

同步時分復用

分配給每個終端數據源的時隙是固定的，不管該終端

是否有數據發(fā)送，屬于該終端的時隙都不能被其他終

端占用，從而造成信道容量的浪費。圖3-13

單條通信鏈路上的時分復用K1

2

3

4K時間第1幀第M幀1

2

3

4

125μs圖3-14

同步傳輸模式示意圖1

2

3

4K1

2

3

4K125μs125μs交換網絡輸入輸出同步時分復用-幀

幀由時間片的一個完整循環(huán)組成，包括分配給每個發(fā)送設

備的一個或者多個時間片。在具有n條輸入線路的系統中，

每一幀至少有n個時間片，分配給某個設備的時間片在幀中的位置是固定的。同步時分復用-同步由交替過程可知，多路復用器和多路信號分離器之間的同步是一個主要問題；如果它們之間失去同步，則屬于某一通道的位可能會被錯誤的通道所接收。由于這個原因，通常在每幀的開始增加一個或多個同步位，幀同步位按照某種模式變化，使分離器與輸入流同步，以準確的分離時間片。異步時分復用在同步時分復用系統中，由于時間片是預分配的和固定的，每當一臺設備不發(fā)送時，對應的時間片就是空的并且浪費了通路帶寬。異步時分復用就是為避免這種浪費而設計的，這里異步的含義是可變的。在異步時分復用中所有輸入線路的速率之和可能比鏈路容量大。異步復用圖3-15

異步時分復用示意圖1

2

3

4K1

2

3

4K交換網絡第1幀第M幀輸入

時間1

2

3

4K1

2

3

4K輸出

時間第1幀第M幀注：表示某一個用戶的數據

；表示另一個用戶的數據

。異步時分復用過程在異步時分復用系統中，如果有n條輸入線路，幀

內就至多需要m個時間片，其中m小于n；動態(tài)分配時間片的能力以及時間片數和輸入線路數的較低比率降低了浪費。異步復用異步復用又稱統計時分多路復用，允許動態(tài)地分配時隙，如果

某個終端不發(fā)送信息，則其他的終端可以占用該時隙。異步時分多路復用可以為更多的用戶服務，即用戶終端數可以比時隙數多，當所有時隙全部被占用而仍有新用戶終端需要分配時隙時，就得采取排隊或競爭的方法。

異步復用需要比較復雜的尋址和控制能力，需要有保存輸入排隊信息的緩沖器，一般用微處理機來解決，因此，設備費用較高。異步復用技術通常用于基帶局域網，是計算機通信網分時系統的基礎。數字信號服務分級體系標記交換與虛電路標記交換在源節(jié)點發(fā)送信息前，先發(fā)送一個請求與目的節(jié)點建立連接的信號，其中必定包含源地址和目的地址信息。源節(jié)點把這些信息轉換成某個標記發(fā)送出去。該標記在一個交換網絡中必須事先約定，才能被網絡節(jié)點識別。這樣中間交換節(jié)點在收到建立連接請求的信號后將檢查其中的標記來識別目的節(jié)點。如MPLS虛電路將上面方式賦予每條鏈路上的標記級連起來，那么構

成的這樣一條邏輯通路稱為虛電路（VC），并且稱各

條鏈路上的標記為邏輯信道（LC）。虛電路和邏輯信道的關系3.2.5

電路交換與分組交換的比較

比較特性傳輸通路性質通路的使用數據傳輸單元通路的初始建立通路的維持節(jié)點上的存儲節(jié)點上的時延數據速率適應性對過載的反應鏈路利用率鏈路帶寬分配額外開銷計費方式

電路交換物理的專用的報文要求呼叫建立一次通信期間維持不要求幾乎無時延單一速率呼損低固定傳輸期間無額外開銷按時間

分組交換邏輯的共享的分組或報文不要求（虛電路除外）不維持（虛電路除外）存儲一個分組或報文存儲轉發(fā)時延多速率存儲（虛呼叫阻塞），時延增加高動態(tài)分組頭的開銷按分組數(

j

?1)Kmax

+

M+M(Kmax

?

nh)nhT

=E[

]

=E[M]nhKmax

≈

nh

+3.3

分組最佳長度設報文的總長度為M(bit)，令nh(bit)為附加到每個分組的開銷，用Kmax表示包括附加開銷在內的最大分組長度。以分組方式發(fā)送一個報文所必須傳送的總比特數為

Nbits

=

M+

M(

Kmax

?

nh

)nh傳送一個報文所需要的總時間T為第一個分組通過前面（j－1）條鏈路的時間加上整個報文通過最后一條鏈路的時間

R)

]T(j?1K

max

+

E[M

+

E[M(Kmax

?nh)]nh

R運用求極值的常規(guī)方法，將上式對Kmax求導，并令導數等于零，于是得到分組最佳長度為

opt

j

?

1最最

最最報報（字

字）最佳分組長度與報文平均長度的關系100100001000最佳分組長度隨著報文長度或每個分組的附加開銷的增加而增加；若全路徑上經過的鏈路數增加，則最佳分組長度有所減小。

200

160

120

j=3

80

j=5

40

0

報報報報報

報

（字

字）最佳分組長度與報文長度之間的關系3.4

其它通信網簡介3.4.1

數據通信網1．分組交換公用數據網（PSPDN）2．數字數據網（DDN）3．幀中繼網（Frame

Relay

Network）3.4.2

綜合業(yè)務數字網（ISDN）3.4.3

寬帶綜合業(yè)務數字網（B-ISDN）與ATM3.4.4

無線數據通信網公用交換電話網Modem模擬信號數字信號

數字

信號因特網服務提供

PSTN(Public

Switched

Telephone

Network)本地電話公司

?采用電路交換

?吞吐量<=56K

bps

?安全問題分組交換公用數據網(PSPDN)特點：可以在一條電路上同時開放多條虛電路，為多個用戶同時使用，網絡具有動態(tài)路由功能和先進的誤碼糾錯功能。可以滿足不同速率。兩種基本業(yè)務永久型虛電路（PVC）永久型虛電路類似于固定專線,由用戶申請時提出,電信部門固定做好,用戶一開機即固定建立起電路，適合于點對點固定連接的用戶使用。交換型虛電路（SVC）用戶通信時，通過呼叫建立虛電路，通信結束后釋放電路，每次均可以與不同的用戶建立通信電路。綜合業(yè)務數字網ISDN(Integrated

Services

DigitalNetwork)NT1TA本地電話公司BRI=2B+DDBBB信道：傳輸數字化的語音、視頻、音頻等，64KbpsD信道：傳輸建立、接收和控制通話的信令信息或

分組交換的數字信息，16/64Kbps基本速率BRI=2B+D

(D=16kbps)

144kbps主速率PRI=23B+D

(D=64Kbps)

T1

=30B+D

E1X.25ITU在20世紀70年代為遠距離傳輸而設計建立在模擬信道上的包交換技術，由于其信道質量比較差，所以協議在克服差錯方面考慮周全，處理比較復雜，網絡遲延較大。速率<=64Kbps提供永久虛電路（PVC）業(yè)務非專用，與其他用戶共享帶寬數字數據網DDN（Digital

Data

Network）利用光纖、數字微波或衛(wèi)星等數字傳輸通道，提供永久或半永久性連接電路，以傳輸數據信號為主的數字傳輸網絡。DDN由數字電路、節(jié)點網絡控制和用戶環(huán)路組成，可以為用戶提供多種速率的、高質量的、點到點和點到多點的數字專用電路，滿足用戶多媒體通信和組建中高速計算機通信網的需要。DDN數字電路傳輸質量高，平均時延?。ㄒ话阈∮?50μs）。DDN運用同步傳輸模式（STM）的數字時分復用技術，用戶數據信息在固定的時隙內以預先設定的帶寬和速率順序傳輸。DDN線路提供的數據速率為2.4—19.2Kb/s及N×64Kb/s（N=1,2,…32）。DDN采用路由故障自動迂回和檢錯糾錯的智能化管理技術，網絡可靠性強、利用率高。一線可以多用，即可以通話、傳真、傳遞數據，還可以組建會議電視系統，開發(fā)幀中繼業(yè)務，制作多媒體服務，或組建用戶自己的虛擬專網(VPN)等。對用戶來說，DDN信道是無規(guī)程的透明通道，用戶只需要注意物理接口是否符合要求，信道產生的少量差錯由用戶設計解決。幀中繼Frame

Relay一種更新的數字式X.25

用戶對低時延、高通信量的突發(fā)式數據傳輸

業(yè)務的需求愈來愈高。

光纖數字系統在通信網中大量使用，信道質

量顯著改善，從而不必對信道傳輸差錯作過多

的處理，因此可以簡化X.25協議，以便減少協

議開銷與傳送時延，并且提高信道的傳送效率。Cut

Through

Switching,減少存儲處理時間

速率64kbps～2Mbps網源端宿端123478X.25分組交換

5

6源端宿端18273645

(a)幀中繼網(b)

X.25分組交換網與幀中繼網的確認方式對比每經過一個節(jié)點都有網絡層的處理和數據鏈路層的確認xDSL數字用戶線路(DSL,Digital

SubscriberLines)先進數據調制技術，采用普通電話線就可以達到非常高的吞吐量專用服務，不需撥號連接就能接入ISP上行傳輸線路（用戶交換局）下行傳輸線路（交換局用戶)對稱/非對稱xDSL的比較xDSL類型距離限制（英尺）

吞吐量下行速率上行速率非對稱DSL1.5~8Mbps1.544Mbps12000~18000（ADSL）1.544Mbps

1.544Mbps

1500010000高比特率DSL（HDSL）單線DSL（SDSL）1000~4500超高比特率DSL

13~52Mbps

1.5~2.3Mbps（VDSL）CABLE

Modem基于電視信號所使用的電纜，共享下行3～10Mbps,上行2Mbps

混合光纖－同軸電纜（ＨＦＣ）

同軸線

光纖Ｔ介質專用線路AT&T公司研制，對長途電話線進行數字化，可以傳輸比較遠的距離。時分多路復用技術，把單個信道分成傳輸語音、數據、視頻等信號的多個信道。常用Ｔ介質介質T1T1CT2T3T4T1數量

1

2

4

28

168信道數量

24

48

96

672

4032

吞吐量（Mbps）

1.544

3.152

6.312

44.736274.176T1的典型示例T1CSU/DSU路由器

CSU/DS多路復用器

U多路復用器信道服務單元（CSU）：提供數字信號終端，并通過糾錯和線路監(jiān)視來保護連接的完整性。數據服務單元（DSU）：把多路復用器所用的數字信號轉換成能通過先纜發(fā)送出去的數字信號多路復用