第4-1講 網(wǎng)絡(luò)編碼、復(fù)用與交換技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)編碼、復(fù)用和交換技術(shù)

第4-1

講CompanyLogo2網(wǎng)絡(luò)編碼、復(fù)用和交換技術(shù)編碼技術(shù)一復(fù)用技術(shù)二交換技術(shù)三2023/2/33一、編碼技術(shù)目的各種網(wǎng)絡(luò)都涉及傳輸模擬信號或數(shù)字信號，不論是模擬信號還是數(shù)字信號，在通過傳輸介質(zhì)傳輸時(shí)一般都需要進(jìn)行編碼以提高信號傳輸效率或傳輸可靠性。。2023/2/341.1、數(shù)據(jù)編碼數(shù)字編碼這類編碼使用最經(jīng)常的是BCD（BinaryCodedDecimal）碼、格雷碼和余3碼，表1給出了這三種編碼。。2023/2/35數(shù)字編碼。表110個(gè)十進(jìn)制數(shù)字的三種編碼十進(jìn)制數(shù)BCD碼格雷碼余三碼01234567890000000100100011010001010110011110001001000000010011001001100111010101001100110100110100010101100111100010011010101111002023/2/361.1數(shù)據(jù)編碼字符編碼最常見的信息符號是字符，包括英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和專用符號等。為了便于識別和統(tǒng)一使用，國際上對字符符號的代碼作了一些標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，例如ISO（InternationalOrganizationforStandardization）碼、EBCDIC（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode）和ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）碼等。表2給出了部分字符對應(yīng)的ASCII碼的二進(jìn)制格式和十六進(jìn)制格式。例如，字母M的ASCII代碼是1001101，用十六進(jìn)制表示時(shí)，其代碼為4D。。2023/2/37字符編碼。表2部分字符的ASCII碼2023/2/381.2、數(shù)字信號編碼技術(shù)

對于傳輸數(shù)字信號來說，最普通且最容易的方法是用兩個(gè)不同的電壓值來表示兩個(gè)二進(jìn)制值。用無電壓（或負(fù)電壓）表示0，而正電壓表示1。常用的數(shù)字信號編碼有：歸零碼不歸零編碼（NRZ），如圖3曼徹斯特編碼（ManchesterCode），如圖4差分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding），如圖5。2023/2/391.2、數(shù)字信號編碼技術(shù)。圖3

NRZ編碼圖4

曼徹斯特編碼2023/2/3101.2、數(shù)字信號編碼技術(shù)。圖5

差分曼徹斯特編碼2023/2/3111.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼目的為了保證通信的有效性，進(jìn)行數(shù)字通信時(shí)必須作壓縮處理，一般采用信源壓縮編碼，去除或減少信源數(shù)據(jù)中的冗余度，或者把能量集中起來以縮小所占頻帶。在傳輸和存儲數(shù)據(jù)量很大的視頻、圖像、聲音、文本等媒體信息時(shí)，對存儲器存儲容量、網(wǎng)絡(luò)通信信道帶寬以及計(jì)算機(jī)處理速度的需求也會急劇增大。單純用增加存儲器容量和通信信道帶寬以及提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的辦法并不解決問題。。2023/2/3121.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼分類根據(jù)對編碼信息的恢復(fù)程度，數(shù)據(jù)壓縮編碼可分為無損壓縮編碼（又稱可逆壓縮編碼、無失真壓縮編碼或冗余壓縮編碼）有損壓縮編碼（又稱不可逆壓縮編碼、有失真壓縮編碼或熵壓縮編碼）。。2023/2/3131.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼音頻編碼壓縮技術(shù)音頻壓縮編碼也分為無損編碼（熵編碼）和有捐壓縮編碼兩大類，其發(fā)展趨勢是：在一些應(yīng)用環(huán)境下，追求盡可能低的傳輸速率；在另一些應(yīng)用環(huán)境下，則追求盡可能高的保真度。話音數(shù)據(jù)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有G.711、G.721、G.728、GSM、GTIA和NSA，分別對應(yīng)64、32、16、138、48和24kb/s傳輸速率。。2023/2/3141.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼音頻編碼壓縮技術(shù)16kb/s自適應(yīng)預(yù)測編碼（APC）的音質(zhì)相當(dāng)于56kb/s的PCM，優(yōu)于16kb/s的ADPCM。增量調(diào)制（DM）編碼是具有二階量化的特殊DPCM，即PCM退化到lbit量化的極端情形。DM的預(yù)測值為lbit（0或1碼），在較低調(diào)制速率下很難跟上語音波形的快速變化，易出現(xiàn)過載現(xiàn)象，產(chǎn)生過載失真。為了彌補(bǔ)這一不足，自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）采取幅度自適應(yīng)補(bǔ)償措施，使解碼后的波形盡可能跟上波形的變化。。2023/2/3151.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼音頻編碼壓縮技術(shù)自適應(yīng)子帶編碼（SBC）根據(jù)語音譜低頻能量大、高頻能量小的特點(diǎn)，將輸入語音頻帶分成4個(gè)或更多個(gè)相鄰帶信息，用不同bit數(shù)（低頻分配多，高頻分配少）分別對這些子帶進(jìn)行DPCM編碼。由于各子帶的能量大小隨時(shí)間變化，DPCM編碼不能保證SBC有高的信噪比（SNR）。按照子帶的能量隨時(shí)調(diào)整bit分配，得到自適應(yīng)bit分配的SBC，可使各子帶的量化噪聲譜始終與語音譜相匹配。16kb/s子帶編碼速率的音質(zhì)優(yōu)于改進(jìn)型ADPCM的音質(zhì)。。2023/2/3161.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼音頻編碼壓縮技術(shù)線性預(yù)測編碼（LPC）是語音信號的混合編碼方式之一，它以線性預(yù)測技術(shù)構(gòu)成的聲音模型為基礎(chǔ)。LPC不同于PCM等波形編碼方法，它根據(jù)人發(fā)聲機(jī)理的數(shù)字模型，通過線性預(yù)測算法，從語音波形中提取特征參數(shù)。LPC傳輸?shù)氖菂?shù)的編碼信息，不是波形本身。解碼時(shí)，根據(jù)同一數(shù)字模型，由解碼所得的這些參數(shù)加上增益系數(shù)、音調(diào)信息和噪音判決信息，一起合成語音。從波形上看，恢復(fù)后的語音與原始波形完全不一樣，只是在語音譜上接近原始語音。。2023/2/3171.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼視頻編碼壓縮技術(shù)目前，視頻（圖像）壓縮編碼技術(shù)已基本成熟。ISO和CCITT分別制定了JPEG、MPEG和H.26I壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG是靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，包括編碼器、解碼器和數(shù)據(jù)格式，采用幀內(nèi)壓縮，壓縮比為20:1；MPEG是適用活動視頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，采用幀間壓縮，壓縮比為100:1。其中MPEGl的數(shù)據(jù)速率為1.5Mb/s，適用于ISDN、LAN等；MPEG2的數(shù)據(jù)速率為4~8Mb/s，適用于包括寬影屏和HDTV在內(nèi)的高質(zhì)量電視廣播；H.261則是專門用于ISDN線路傳輸?shù)囊曨l壓縮標(biāo)準(zhǔn)。。2023/2/3181.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼視頻編碼壓縮技術(shù)預(yù)測編碼通常采用線性預(yù)測法，對采樣值（像素）進(jìn)行預(yù)測。為了提高預(yù)測精度，可利用相鄰幾個(gè)像素存在的相關(guān)性。對于靜止圖像，只作幀內(nèi)預(yù)測處理。對于活動圖像，還需要采用運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測（即幀間預(yù)測）等措施。實(shí)際上，運(yùn)動補(bǔ)償是對活動圖像進(jìn)行動態(tài)跟蹤，去除視頻圖像幀間相關(guān)性的有效措施。預(yù)測編碼是圖像的基本編碼技術(shù)，廣泛用于電視圖像和動畫的壓縮編碼。。2023/2/3191.3、數(shù)據(jù)壓縮編碼視頻編碼壓縮技術(shù)MPEG4為新一代多媒體標(biāo)準(zhǔn)，提供了一整套能同時(shí)滿足制作者、服務(wù)商和終端用戶需求的編解碼技術(shù)。它主要包括視頻、音頻和系統(tǒng)三部分。其中，音視頻已不是MPEG1和MPEG2中音頻或視頻幀的概念，而是一個(gè)個(gè)AV（audiovisual）場景。這些AV場景由不同的AV對象（聽覺、視覺或視聽內(nèi)容的表示單元）組成。MPEG4標(biāo)準(zhǔn)就是圍繞如何對AV對象有效編碼，如何有效組織傳輸AV對象而制定的。MPEG4被稱為面向?qū)ο蟮木幋a技術(shù)，在未來網(wǎng)絡(luò)和多媒體通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。。2023/2/320差錯(cuò)控制編碼概述目的差錯(cuò)控制編碼是差錯(cuò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)，目的是為了發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信過程中的差錯(cuò)并采取措施予以糾正，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃??；緦?shí)現(xiàn)方法在發(fā)送端將被傳輸?shù)男畔⒏缴弦恍┍O(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互關(guān)聯(lián)（約束）。接收端按照既定的規(guī)則檢驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸發(fā)生差錯(cuò)，則會破壞信息碼元與監(jiān)督碼元的關(guān)系，從而使接收端可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤乃至糾正錯(cuò)誤。。2023/2/321差錯(cuò)控制方式?；旌霞m錯(cuò)方式（HEC）差錯(cuò)控制方式檢錯(cuò)重發(fā)（ARQ）前向糾錯(cuò)（FEC）2023/2/322差錯(cuò)控制方式檢錯(cuò)重發(fā)（ARQ）在接收端根據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)規(guī)則被破壞，則通過反向信道要求發(fā)送端重新發(fā)送，直到接收端檢查無誤為止。由于反饋重發(fā)的次數(shù)與信道的干擾情況有關(guān)，若信道的干擾很頻繁，則系統(tǒng)就會經(jīng)常處于重發(fā)信息的狀況。因此，這種方式傳送信息的連貫性較差，電路也較復(fù)雜。由于這種方式僅要求發(fā)送具有檢錯(cuò)能力的編碼，接收端只要檢查有無錯(cuò)誤即可，故譯碼設(shè)備相對簡單。自動重發(fā)請求（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）系統(tǒng)具有各種不同的重發(fā)機(jī)制：如停止等候重發(fā)、X.25協(xié)議的滑動窗口選擇重發(fā)等。ARQ系統(tǒng)需要反饋信道，效率較低，但是能達(dá)到很好的性能。。2023/2/323差錯(cuò)控制方式前向糾錯(cuò)（FEC）前向糾錯(cuò)方式中，接收端收到信息序列后，糾錯(cuò)譯碼器不僅能自動檢測傳輸中的錯(cuò)誤，而且能自動糾正傳輸中的錯(cuò)誤，把正確信息送給接收器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是信息不需存儲，不需反饋信道，能用于單向通信，適合用于不允許有延遲的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中。其缺點(diǎn)是，所選擇糾錯(cuò)碼必須與信道的噪聲干擾情況緊密對應(yīng)；為了糾正較多的差錯(cuò)，要求附加的監(jiān)督碼元較多，傳輸效率低，解碼設(shè)備很復(fù)雜。不過隨著編碼理論和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，解碼設(shè)備有可能做得越來越經(jīng)濟(jì)，加之這種方式具有能夠?qū)崟r(shí)單向通信且控制電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，因而實(shí)際應(yīng)用越來越廣。。2023/2/324差錯(cuò)控制方式混合糾錯(cuò)方式（HEC）混合糾錯(cuò)方式（HEC）結(jié)合了ARQ和前向糾錯(cuò)機(jī)制，它是一種折中的方案。發(fā)送端發(fā)送的編碼不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，而且還具有一定的糾錯(cuò)能力。接收端接收后首先檢查差錯(cuò)情況，如果差錯(cuò)在編碼的糾錯(cuò)能力以內(nèi)，則自動進(jìn)行糾錯(cuò)；如果錯(cuò)誤較多，超出了編碼的糾錯(cuò)能力，但能檢測出來，這時(shí)接收端可通過反饋信道要求發(fā)送端重傳有錯(cuò)的信息。。2023/2/325二、復(fù)用技術(shù)所謂復(fù)用（Multiplexing）就是把低等級速率信號通過某種方式調(diào)制成一個(gè)高等級速率，也可以看作在同一介質(zhì)上同時(shí)傳輸多個(gè)有限帶寬信號的方法，所以又稱為多路復(fù)用。當(dāng)通信線路能夠提供的傳輸能力比一路信息所需的傳輸需求高時(shí)，可以利用復(fù)用方式來共享線路以提高線路的利用率。2023/2/326二、復(fù)用技術(shù)分類頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用其他復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用碼分復(fù)用空分復(fù)用字節(jié)間插復(fù)用極化波復(fù)用。2023/2/327二、復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用在介質(zhì)的有效帶寬超過要傳輸?shù)男盘査鑾挄r(shí)，可采用頻分多路復(fù)用技術(shù)。頻分多路復(fù)用是利用頻率變換或調(diào)制的方法，將若干路信號搬移到頻譜的不同位置，相鄰兩路的頻譜之間留有一定的頻率間隔，這樣排列起來的信號就形成一個(gè)頻分多路復(fù)用信號。發(fā)送設(shè)備將復(fù)用信號發(fā)送出去，傳輸?shù)浇邮斩艘院?，接收方利用濾波器再把各路信號區(qū)分開來。。2023/2/328二、復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用以電話系統(tǒng)為例來說明頻分多路復(fù)用的原理一路電話的標(biāo)準(zhǔn)頻帶是0.3KHz至3.4KHz，若在一對導(dǎo)線上傳輸若干路這樣的電話信號，接收端將無法把它們分開。采用調(diào)制技術(shù)就可以把各個(gè)相同頻帶的話路信號搬移到信道的不同頻段上傳輸。在接收端，借助適當(dāng)?shù)膸V波器進(jìn)行分路解調(diào)，就可以分別接到各處的電話而互不干擾。圖6給出了一個(gè)利用頻分復(fù)用來傳輸三路電話信號的示例。。2023/2/329二、復(fù)用技術(shù)。圖4.5利用頻分復(fù)用傳輸電話信號圖6

利用頻分復(fù)用傳輸電話信號2023/2/330二、復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用除傳統(tǒng)意義上的頻分復(fù)用（FDM）外，還有一種是正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）。OFDM實(shí)際上是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，全部載波頻率有相等的頻率間隔，并且各個(gè)載波的信號頻譜是正交的。由于OFDM使用無干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無需保護(hù)頻帶，這使得可用頻譜的使用效率很高。另外，OFDM技術(shù)可動態(tài)分配子信道中的數(shù)據(jù)，為提高數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調(diào)制器可以分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。。2023/2/331二、復(fù)用技術(shù)時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用就是將提供給整個(gè)信道的傳輸時(shí)間劃分成若干時(shí)間片（簡稱時(shí)隙），并將這些時(shí)隙分配給每一個(gè)信號源使用，每一路信號在自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道傳輸數(shù)據(jù)。幀由時(shí)間片構(gòu)成，將時(shí)隙的一個(gè)完整循環(huán)稱為幀。時(shí)分復(fù)用可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：同步時(shí)分復(fù)用和異步時(shí)分復(fù)用。。2023/2/332二、復(fù)用技術(shù)時(shí)分復(fù)用同步時(shí)分復(fù)用中時(shí)隙事先規(guī)劃分配好且固定不變，優(yōu)點(diǎn)是時(shí)隙分配固定，便于調(diào)節(jié)控制，缺點(diǎn)是當(dāng)某信號源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它所對應(yīng)的信道會出現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個(gè)空閑的信道，因此信道利用率較低。與頻分復(fù)用技術(shù)一樣，時(shí)分復(fù)用技術(shù)有非常廣泛的應(yīng)用，包括電話系統(tǒng)和廣播電視系統(tǒng)。。2023/2/333二、復(fù)用技術(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM)STDM又稱為智能復(fù)用器，它不給每個(gè)終端分配專門的時(shí)隙，而是根據(jù)終端的需要，動態(tài)地按需分配時(shí)隙，即有數(shù)據(jù)要發(fā)送的終端才分得時(shí)隙。與同步時(shí)分復(fù)用不同的是，在異步時(shí)分復(fù)用中所有輸入線路的速率之和可能比信道容量大。當(dāng)所有時(shí)隙全被占用而仍有新用戶終端需要分配時(shí)隙時(shí)，就得采取排隊(duì)或競爭方法。。2023/2/334二、復(fù)用技術(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM)特點(diǎn)及應(yīng)用STDM需要比較復(fù)雜的尋址和控制能力，需要有保存輸入排隊(duì)信息的緩沖器。因此，設(shè)備成本較高。STDM的主要應(yīng)用場合包括數(shù)字電視節(jié)目復(fù)用器和分組交換網(wǎng)等。分組交換網(wǎng)中有的支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用，有的不支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用，例如SDH就不支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用，其帶寬是固定不變的，支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)的主要有幀中繼和ATM。。2023/2/335二、復(fù)用技術(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM)。A5A4A3A2A1D2D1B2B1C3C2C1E2E1圖8統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用示例2023/2/336二、復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用所謂的波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing,WDM）本質(zhì)上也是頻分復(fù)用而已。WDM將1根光纖轉(zhuǎn)換為多條虛擬光纖，每條虛擬光纖獨(dú)立工作在不同波長上，這樣極大地提高了光纖的傳輸容量。由于WDM技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與有效性，使之成為當(dāng)前光纖通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的主要手段。波分復(fù)用技術(shù)作為一種系統(tǒng)概念，包括3種復(fù)用方式，即1310nm和1550nm波長的波分復(fù)用、粗波分復(fù)用（CWDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）。。2023/2/337二、復(fù)用技術(shù)碼分復(fù)用碼分復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing,CDM）是通過不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復(fù)用方式，用于多址接入時(shí)將其稱為碼分多址（CDMA）。由于每個(gè)用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，各用戶可以在同一時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信而互不干擾。CDMA的特點(diǎn)是所有子信道在同一時(shí)間可以使用整個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它能共享信道與時(shí)間資源，因此，信道的效率高，系統(tǒng)的容量大。CDMA基于擴(kuò)頻技術(shù)，將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼（PN）進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去；接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號（即解擴(kuò)），以實(shí)現(xiàn)信息通信。。2023/2/338二、復(fù)用技術(shù)空分復(fù)用空分復(fù)用（SpaceDivisionMultiplexing,SDM）通常指多對電線或光纖共用1條電纜或光纜的復(fù)用方式，這要求光纖或電線的直徑很小，可以將多條光纖或多對電線做在一條纜內(nèi)。空分復(fù)用可以節(jié)省外護(hù)套材料，又便于使用。另外，在無線通信中，可以通過使用定向波束天線技術(shù)服務(wù)不同的用戶來實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，以便增加系統(tǒng)的容量，但是這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。。2023/2/339二、復(fù)用技術(shù)字節(jié)間插復(fù)用字節(jié)間插復(fù)用（BIDM，ByteIntertextureDivisionMultiplexing）是SDH中低級別的同步傳送模塊（STM,SynchronousTransportModule）向高級別同步傳送模塊復(fù)用的一種方式，高級別的STM是低級別STM速率的4倍。字節(jié)間插是指有規(guī)律地從4個(gè)低級別STM中抽出1個(gè)字節(jié)放進(jìn)高級別的STM中。借助于AU-PTR（管理單元指針）和字節(jié)間插的規(guī)律性，可以方便地定位低速信號在高速信號中的位置。。2023/2/340二、復(fù)用技術(shù)極化波復(fù)用（PWDM)極化波復(fù)用（PolarizationWavelengthDivisionMultiplexing）是衛(wèi)星系統(tǒng)中采用的一種復(fù)用技術(shù)，即一個(gè)饋源能同時(shí)接收兩種極化方式的波束，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化。。2023/2/341三、交換技術(shù)數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)需要經(jīng)過若干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接，這涉及到數(shù)據(jù)交換技術(shù)。一般不采用兩點(diǎn)之間以直通方式占有線路，而采用交換方式，使傳輸線路為多個(gè)用戶公用，以提高傳輸線路和傳輸設(shè)備的利用率，降低系統(tǒng)費(fèi)用。數(shù)據(jù)交換有電路交換、報(bào)文交換、分組交換三種主要交換方式，其中分組交換是專為數(shù)據(jù)信息的交換而提出的。隨著電信網(wǎng)向綜合化、高速化方向發(fā)展，又相繼出現(xiàn)了一些分組交換的改進(jìn)類型，如幀中繼和ATM交換等。。2023/2/342三、交換技術(shù)電路交換（CircuitSwitching）傳統(tǒng)的電話通信普遍采用電路交換方式。電路交換是在需要通信的雙方之間動態(tài)地建立一條專用通信線路的交換方式，包括電路（呼叫）建立、信息傳送（通話）和連接釋放（拆鏈）三個(gè)階段，如圖9所示。。2023/2/343三、交換技術(shù)電路交換（CircuitSwitching）。交換節(jié)點(diǎn)A交換節(jié)點(diǎn)C交換節(jié)點(diǎn)B交換節(jié)點(diǎn)D圖9

電路交換的基本過程2023/2/344三、交換技術(shù)電路交換（CircuitSwitching）優(yōu)點(diǎn)一是傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號的傳播延遲；該優(yōu)點(diǎn)得益于一旦建立物理連接，便不再需要交換開銷；二是一旦線路建立，便不會發(fā)生沖突；該優(yōu)點(diǎn)來自于獨(dú)享物理線路。缺點(diǎn)首先是建立物理線路所需的時(shí)間比較長；其次是電路利用率低；最后是電路交換無差錯(cuò)控制措施，數(shù)據(jù)交換的可靠性不高。。2023/2/345三、交換技術(shù)報(bào)文交換（MessageSwitching）報(bào)文交換（MessageSwitching）不同于電路交換，報(bào)文中除了用戶要傳送的信息以外，還有目的地址和源地址，根據(jù)目的地址，報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳至另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到目的計(jì)算機(jī)。交換節(jié)點(diǎn)將所接收的報(bào)文暫時(shí)存儲，分析其目的地址和選擇路由，并在路由上排隊(duì)，等待有空閑電路時(shí)才發(fā)送到下一交換節(jié)點(diǎn)，因此這種交換方式也被稱作“存儲傳發(fā)”方式。圖10給出了報(bào)文交換的基本過程和時(shí)延的構(gòu)成。。2023/2/346三、交換技術(shù)。交換節(jié)點(diǎn)A交換節(jié)點(diǎn)B交換節(jié)點(diǎn)C報(bào)文報(bào)文傳輸時(shí)延存儲時(shí)延處理和排隊(duì)時(shí)延圖10報(bào)文交換過程及其時(shí)延2023/2/347三、交換技術(shù)與電路交換相比，報(bào)文交換有很多優(yōu)點(diǎn)：①線路利用率較高，因?yàn)橥ㄐ啪€路可以被許多報(bào)文共享使用;②可把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地;③發(fā)送器和接收器不必同時(shí)處于可用狀態(tài)。在通信線路可用之前，或接收器準(zhǔn)備好接收之前，中間節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)存儲報(bào)文;④可以把不同傳輸速率的通信線路組合在一起使用;⑤中間節(jié)點(diǎn)可對報(bào)文進(jìn)行某種處理，如代碼、格式等的變換等。。2023/2/348三、交換技術(shù)報(bào)文交換（MessageSwitching）報(bào)文交換（MessageSwitching）的主要缺點(diǎn)：報(bào)文傳輸?shù)难舆t較大；不能滿足實(shí)時(shí)和交互式通信的要求；每個(gè)站點(diǎn)都必須具有路徑選擇功能，以決定將報(bào)文從哪一條路徑發(fā)送出去。。2023/2/349三、交換技術(shù)分組交換（PacketSwitching）分組交換（PacketSwitching）結(jié)合了電路交換和報(bào)文交換的特點(diǎn)，通信雙方以分組為單位交換數(shù)據(jù)。分組是一個(gè)具有固定長度的數(shù)據(jù)單元，而報(bào)文的長度不固定，因此可以把每個(gè)長度較長的報(bào)文分解成若干個(gè)長度固定的較短分組。圖11給出了分組交換的基本過程。。2023/2/350三、交換技術(shù)分組交換（PacketSwitching）。交換節(jié)點(diǎn)A交換節(jié)點(diǎn)A交換節(jié)點(diǎn)A圖11分組交換的基本過程2023/2/351三、交換技術(shù)相比于報(bào)文交換，分組交換有以下優(yōu)點(diǎn)：減少時(shí)延，分組的傳輸延時(shí)明顯小于報(bào)文延時(shí)，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝粋€(gè)分組發(fā)送給節(jié)點(diǎn)后，接著可以發(fā)送隨后的其他分組，大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上所需緩存容量減少了，有利于提高節(jié)點(diǎn)存儲資源的利用率。分組較小，傳輸錯(cuò)誤率較低，并且當(dāng)傳輸有錯(cuò)時(shí)，只要重傳一個(gè)分組而不需重發(fā)報(bào)文，大大減少了系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。可以方便地開始新的傳輸，例如將緊急報(bào)文迅速發(fā)送出去，不會因傳輸優(yōu)先級較低的長報(bào)文而堵塞高優(yōu)先級報(bào)文的傳輸。。2023/2/352三、交換技術(shù)分組交換也帶來一些問題：首先，分組在各節(jié)點(diǎn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)因要排隊(duì)總會造成一定時(shí)延，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量過大時(shí)，這種時(shí)延可能會很大。其次，各分組必須攜帶的控制信息也造成了一定的額外開銷。此外，整個(gè)分組交換網(wǎng)的管理與控制也比較復(fù)雜。。2023/2/353三、交換技術(shù)分組交換可提供兩種服務(wù)方式：數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）方式類似于報(bào)分交換，不需要預(yù)先建立邏輯連接，而是按照每個(gè)分組頭中的目的地址對各個(gè)分組獨(dú)立進(jìn)行選路虛電路（VirtualCircuit，VC）方式類似于電路交換，在用戶數(shù)據(jù)傳送之前先要通過發(fā)送呼叫請求分組建立端到端之間的虛電路。。2023/2/354三、交換技術(shù)分組交換可提供兩種服務(wù)方式：數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）方式每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都有完整的發(fā)送端地址和接收端地址，中間節(jié)點(diǎn)存儲分組，并根據(jù)分組中的目的站地址選擇一條可用的線路將分組轉(zhuǎn)發(fā)出去。這些具有相同目的站地址分組可能會按不同的路徑，并以與發(fā)送時(shí)不同的分組順序到達(dá)目的站。所以分組到達(dá)目的站后，接收方必須采取措施將這些分組重新進(jìn)行排序。數(shù)據(jù)報(bào)不用建立和釋放連接，直接將信息組裝成一定長度的分組進(jìn)行傳送，成功傳送數(shù)據(jù)的可能性很大，但也難免出現(xiàn)丟失。如果一個(gè)分組未能成功傳送到目的站，那么目的站將向源站發(fā)出一個(gè)“發(fā)送未成功”的指示，通知源站重發(fā)分組。。2023/2/355三、交換技術(shù)分組交換可提供兩種服務(wù)方式：虛電路（VirtualCircuit，VC）方式虛電路不同于電路交換中的物理連接，它是一種邏輯連接。虛電路并不獨(dú)占線路，在一條物理線路上可以同時(shí)建立多個(gè)虛電路，也就是說建立多個(gè)邏輯連接，以達(dá)到資源共享的目的。由于傳輸路線并不是一條物理存在的專用通路，所以稱其為虛電路。虛電路有兩種類型：交換虛電路（SwitchedVirtualCircuit，SVC）和永久虛電路（PermanentVirtualCircuit，PVC）。2023/2/356三、交換技術(shù)分組交換可提供兩種服務(wù)方式：數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）方式和VC的比較：數(shù)據(jù)報(bào)中每個(gè)分組頭要包含詳細(xì)的目的地址，而虛電路中分組頭中只需含有對應(yīng)于所建立的VC的邏輯信道標(biāo)識。VC需要連接建立過程，有一定的處理開銷，一旦虛電路建立，每個(gè)分組到來時(shí)只要查找各個(gè)交換節(jié)點(diǎn)存放的出入邏輯信道的對應(yīng)關(guān)系表，而不需進(jìn)行復(fù)雜的選路。數(shù)據(jù)報(bào)方式則不需要連接建立過程，但對每個(gè)分組都要獨(dú)立地進(jìn)行選路。VC方式中，屬于同一呼叫的各個(gè)分組在同一條虛電路上傳送，分組會按原順序到達(dá)終點(diǎn)，不會產(chǎn)生失序現(xiàn)象。數(shù)據(jù)報(bào)方式中，由于各個(gè)分組是獨(dú)立選路，可以從不同的路由轉(zhuǎn)送，會引起失序。。2023/2/357三、交換技術(shù)分組交換可提供兩種服務(wù)方式：數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）方式和VC的比較：VC方式對故障較為敏感，當(dāng)傳輸鏈路或交換節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)可能引起虛電路的中斷，需要重新建立。數(shù)據(jù)報(bào)方式中各個(gè)分組可選擇不同路由，對故障的容忍能力較強(qiáng)，可靠性較高。VC方式適用于傳送較連續(xù)的數(shù)據(jù)流，如文件傳送、傳真業(yè)務(wù)等。數(shù)據(jù)報(bào)方式則適用于面向事務(wù)的詢問/響應(yīng)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。。2023/2/358三、交換技術(shù)三種交換技術(shù)的比較：若所要傳送很大的數(shù)據(jù)量，且傳送時(shí)間遠(yuǎn)大于呼叫建立時(shí)間，則宜采用預(yù)先分配傳輸帶寬的電路交換。報(bào)文交換和分組交換不需要預(yù)先分配傳輸帶寬，因而可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信道利用率。分組交換比報(bào)文交換的時(shí)延小，但要求節(jié)點(diǎn)交換機(jī)必須具有更強(qiáng)的處理能力。對于計(jì)算機(jī)之間的突發(fā)式的數(shù)據(jù)通信，分組交換更為合適。另外，當(dāng)端到端通路由很多段鏈路組成時(shí)，采用分組交換傳送數(shù)據(jù)比用電路交換顯然要好些。這是因?yàn)椴捎秒娐方粨Q時(shí)，只要整個(gè)通路中有一段鏈路不可用，通信就不能進(jìn)行。而分組交換可以將數(shù)據(jù)一段一段地像接力賽跑那樣傳遞下去。表3對電路交換、報(bào)文交換和分組交換方式進(jìn)行了比較。。2023/2/359三、交換技術(shù) 表3三種交換方式的比較性能 電路交換 報(bào)文交換 分組交換 虛電路數(shù)據(jù)報(bào)建立時(shí)延 有 無 有 無帶寬占用 固定分配 統(tǒng)計(jì)復(fù)用 統(tǒng)計(jì)復(fù)用 統(tǒng)計(jì)復(fù)用實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí) 非實(shí)時(shí) 非實(shí)時(shí) 交互速率適配 無 可以 可以 可以碼型變換 無 可以 可以 可以差錯(cuò)控制 端點(diǎn)進(jìn)行 有 有 有健壯性 差 好 較差 好傳輸開銷 無 小 較大 大復(fù)雜性 低 高 中 高交換單位 流 報(bào)文 分組 分組適應(yīng)信息 實(shí)時(shí)、批量文件、郵件 突發(fā) 突發(fā)、交互。2023/2/360三、交換技術(shù)IP交換（IPSwitching）IP交換（IPSwitching）是Ipsilon公司提供的專門用于在ATM網(wǎng)上傳送IP分組的技術(shù)，它克服了ATM上的傳統(tǒng)式IP規(guī)范的一些缺陷，如在子網(wǎng)之間必須使用傳統(tǒng)路由器等，提高了在ATM上傳送IP分組的效率，是目前一種可行、較好的IPOA（IPOVERATM）技術(shù)。。2023/2/361三、交換技術(shù)IP交換（IPSwitching）IP交換的核心是IP交換機(jī)，由ATM交換機(jī)、IP交換機(jī)控制器組成。IP交換機(jī)控制器主要由路由軟件和控制軟件組成。ATM交換機(jī)的一個(gè)ATM接口與IP交換機(jī)控制器的ATM接口相連接，用于控制信號和用戶數(shù)據(jù)的傳送。在ATM交換機(jī)與IP交換機(jī)控制器間使用的控制協(xié)議為RFC1987通用交換機(jī)管理協(xié)議（GSMP），該協(xié)議使得IP交換機(jī)控制器能對ATM交換機(jī)進(jìn)行完全控制。在IP交換機(jī)之間運(yùn)行的協(xié)議是RFC1953Ipsilon流管理協(xié)議（IFMP），該協(xié)議用于在兩個(gè)IP交換機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)。。2023/2/362三、交換技術(shù)IP交換（IPSwitching）IP交換的核心是IP交換機(jī)，由ATM交換機(jī)、IP交換機(jī)IP交換的基本概念是流的概念，一個(gè)流是從ATM交換機(jī)輸入端口輸入的一系列有先后關(guān)系的IP包，它將由IP交換機(jī)控制器的路由軟件來處理。IP交換的核心是把輸入的數(shù)據(jù)流分為以下2種類型：持續(xù)期長、業(yè)務(wù)量大的用戶數(shù)據(jù)流和持續(xù)期短、業(yè)務(wù)量小、呈突發(fā)分布的用戶數(shù)據(jù)流。對于前一類數(shù)據(jù)流，在ATM交換機(jī)硬件中直接進(jìn)行交換，對多媒體數(shù)據(jù)，它們常常要求進(jìn)行廣播和多發(fā)送通信，把這些數(shù)據(jù)流在ATM交換機(jī)中進(jìn)行交換，也能利用ATM交換機(jī)硬件的廣播和多發(fā)送能力。對于后一類數(shù)據(jù)流，通過IP交換機(jī)控制器中的IP路由軟件進(jìn)行傳輸，即與傳統(tǒng)路由器一樣，按照逐跳和存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式發(fā)送的，采用這種方法省去了ATM虛連接建立的開銷。。2023/2/363三、交換技術(shù)IP交換（IPSwitching）IP交換分為以下6步進(jìn)行：在IP交換機(jī)內(nèi)的ATM輸入端口從上游節(jié)點(diǎn)接收到輸入業(yè)務(wù)流，并把這些業(yè)務(wù)流送往IP交換機(jī)控制器中的路由軟件進(jìn)行處理。IP交換機(jī)控制器根據(jù)輸入業(yè)務(wù)流的TCP或UDP信頭中的端口號碼進(jìn)行流分類。對于持續(xù)期長、業(yè)務(wù)量大的用戶數(shù)據(jù)流，IP交換機(jī)將直接利用ATM交換機(jī)硬件進(jìn)行交換；對于持續(xù)期短、業(yè)務(wù)量小、呈突發(fā)分布的用戶數(shù)據(jù)流，將通過IP交換機(jī)控制器中的IP路由軟件進(jìn)行一跳接一跳和存儲轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送。。2023/2/364三、交換技術(shù)IP交換（IPSwitching）IP交換分為以下6步進(jìn)行：一旦一個(gè)業(yè)務(wù)流被標(biāo)識為直接ATM交換，IP交換機(jī)控制器將要求上游節(jié)點(diǎn)把該業(yè)務(wù)流放在一條新的虛通路上。如果上游節(jié)點(diǎn)同意建立虛通路，則該業(yè)務(wù)流就在這條虛通路上進(jìn)行傳送。同時(shí)，下游節(jié)點(diǎn)也要求IP交換機(jī)控制器為該業(yè)務(wù)流建立一條呼出的虛通路。通過第（3）和（4）步，該業(yè)務(wù)流被分離到特定的呼入通路和特定的呼出通路上。通過旁路路由，IP交換機(jī)控制器指示ATM交換機(jī)完成直接交換。。2023/2/365三、交換技術(shù)標(biāo)記交換（TagSwitching）標(biāo)記交換（TagSwitching）由Cisco公司提出，是一種多層交換技術(shù)，