計算機網(wǎng)絡基礎教程-第2章-網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信課件

第2章網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信問題原由數(shù)據(jù)通信技術完成數(shù)據(jù)的編碼、傳輸和處理，為計算機網(wǎng)絡的應用提供必要的技術支持和可靠的通信環(huán)境。那么，它是如何實現(xiàn)這些功能的呢？這就是本章所要討論的問題。本章重點討論數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和常用通信信道類型、數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、多路復用技術、數(shù)據(jù)交換技術和差錯控制等技術。教學重點能力要求掌握:數(shù)據(jù)通信的基本概念,數(shù)據(jù)傳輸與編碼技術.了解：數(shù)據(jù)傳輸技術的發(fā)展趨勢。熟悉:多路復用技術、數(shù)據(jù)交換技術、差錯控制技術等。第2章網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信問題數(shù)據(jù)通信技術完成數(shù)據(jù)的編碼、傳輸和處

§2.1

數(shù)據(jù)通信的基本概念

§2.6網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸差錯控制

§2.5網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換

§2.4網(wǎng)絡多路復用

§2.2數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

§2.3網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸本章目錄計算機網(wǎng)絡基礎§2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念§2.6網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸差知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信的基本概念網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)傳輸帶寬數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)網(wǎng)絡多路復用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸幀中繼交換分組交換報文交換電路交換數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)與信號串行傳輸與并行傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制模擬數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼頻分多路復用時分多路復用單向傳輸與雙向傳輸同步傳輸與異步傳輸模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼密集波分多路復用碼分多路得用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸差錯控制差錯控制方法差錯檢測方法差錯的產(chǎn)生與類型ATM交換知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信的基本概念網(wǎng)絡數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸帶寬數(shù)§2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1、信息信息泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音、文字、圖像、符號等所表征的某一特定事物的消息、情報或知識。

2、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是對客觀事物的符號表示，在計算機科學中是指所有輸入到計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩種。

⑴模擬數(shù)據(jù)：在時間和幅值取值上都是連續(xù)變化的,例如聲音、語音、視頻和動畫片等。模擬數(shù)據(jù)通常用傳感器收集。

⑵數(shù)字數(shù)據(jù)：在時間上是離散的,在幅值上是經(jīng)過量化的,它一般是由0、1構(gòu)成的二進制代碼組成的數(shù)字序列。2.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號§2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1、信息2.1.13、信號信號是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)形式，它具有確定的物理描述,如電信號、光信號或磁場強度等。信號分為數(shù)字信號和模擬信號兩種。圖2-2模擬信號與數(shù)字信號波形ty（a）連續(xù)的模擬信號ty（b）離散的數(shù)字信號

⑴模擬信號：是一種連續(xù)變化的電脈沖序列，例如電話語音信號、電視信號等，它是隨時間變化的函數(shù)曲線，如圖2-2（a）所示。2.1.1

信息、數(shù)據(jù)與信號

⑵數(shù)字信號：是離散的不連續(xù)的電信號,通常用“高”和“低”電平脈沖序列組成的編碼來表示數(shù)據(jù),如圖2-2(b)所示。3、信號圖2-2模擬信號與數(shù)字信號波形ty（a）2.1.2

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

任何一個通信系統(tǒng)都可以看作是由發(fā)送設備、傳輸信道和接收設備三大部分組成。我們把產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端稱為信源，把接收信息的一端稱為信宿，把信源傳送到信宿的通信線路稱為信道。在實際通信系統(tǒng)中，難免受到外界電磁波等噪音源的干擾影響。因此，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)+噪音噪音源信源信道信宿2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.1.2

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

2、數(shù)據(jù)通信類型

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，將傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，將傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。

(1)模擬通信系統(tǒng)：普通的電話、廣播、電視等信號都屬于模擬信號,由模擬信號所構(gòu)成的通信系統(tǒng)屬于模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)通常由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪音源組成，其基本結(jié)構(gòu)模型如圖2-4所示。圖2-4模擬通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信源調(diào)制器解調(diào)器信宿信道噪音源2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)通信類型圖2-42.1.2

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

(2)數(shù)字通信系統(tǒng)：計算機通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視等信號都屬于數(shù)字信號，由數(shù)字信號構(gòu)成的通信系統(tǒng)屬于數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)通常由信源、編碼器、信道、解碼器、信宿以及噪音源組成，其基本結(jié)構(gòu)模型如圖2-5所示。圖2-5數(shù)字通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖2-5數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信源編碼器解碼器信宿信道噪音源

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(2)數(shù)字通信系統(tǒng)：計算機2.1.2

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以上介紹了數(shù)據(jù)通信技術的基本概念。事實上，無論是實現(xiàn)模擬通信,還是實現(xiàn)數(shù)字通信,都涉及到一系列的技術問題，包括數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、多路復用技術、數(shù)據(jù)交換技術、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e檢測與控制技術等。圖2-7調(diào)制解調(diào)器的功能作用電話線電話交換網(wǎng)計算機Modem電話機Modem電話機計算機電話線2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以上介紹了數(shù)據(jù)通信技術的基本§2.2

數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

在計算機中的數(shù)據(jù)是用二進制0、1比特序列表示的，在物理上是用低電平和高電平來呈現(xiàn)的。由于在線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判诺烙心M信道與數(shù)字信道之分。為了便于不同數(shù)據(jù)在不同的信道中傳輸（適應不同的傳輸特性),在數(shù)據(jù)送入信道之前必須對其進行調(diào)制和編碼。在通信系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的調(diào)制和編碼可分為4種基本形式：數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制12模擬數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼4§2.2數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼在計算機中的數(shù)據(jù)是用二進制模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號PCM數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信2.2.1數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制

將數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制成模擬信號，以便在模擬傳輸系統(tǒng)中傳輸。數(shù)字數(shù)據(jù)的調(diào)制基于調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相3種調(diào)制技術，分別稱為振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。010011100調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相2.2.1數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制將數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制成模擬信2.2.2模擬數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制對模擬數(shù)據(jù)進行模擬調(diào)制的目的：其一是將低頻信號搬遷到較高的頻帶進行傳輸；其二是將模擬信號放大；其三是通過調(diào)制可以使用頻分多路復用技術。2.2.2模擬數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制對模擬數(shù)據(jù)進行模擬調(diào)制2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼就是如何把數(shù)字數(shù)據(jù)用物理信號的波形表示，是用高低電平的不同組合來表示二進制的方法。常用的編碼方式主要有3種：不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。

1、不歸零碼（Non-ReturntoZero，NRZ）

不歸零碼是一種全寬碼，即信號波形在一個碼元全部時間內(nèi)發(fā)出或不發(fā)出電流，每一位碼占全部碼元的寬度。不歸零碼可分為單極性和雙極性兩種：

⑴單極性不歸零碼(SinglePolarityNRZ)：是以無電壓（無電流）表示“0”，而用恒定的正電壓表示“1”。

⑵雙極性不歸零碼(DoublePolarityNRZ)：是以負電壓表示“0”，而用恒定的正電壓表示“1”。以上反之亦然，即負電壓表示“1”，正電壓表示“0”。

2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼就是2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼

2、曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼是目前應用最廣泛的編碼方法之一。其編碼規(guī)則是：每個比特的周期T分為前T/2與后T/2兩部分；通過前T/2傳送該比特的反碼，通過后T/2傳送該比特的原碼。

3、差分曼徹斯特編碼

是對曼徹斯特編碼的改進,它將時鐘和數(shù)據(jù)包含在信號中,在傳輸代碼信息的同時將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ剑远紝儆谧酝骄幋a，其數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。

01101001tO曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼

01101001tO2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼2、曼徹斯特編碼0模擬信號PAM信號PAM信號數(shù)字信號2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼是把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的編碼方法。由于數(shù)字信號傳輸失真小、誤碼率低、傳輸速率高、便于計算機存儲，所以將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化已成為必然趨勢。模擬數(shù)據(jù)數(shù)字編碼的最常用方法是脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM),PCM的工作過程包括3個步驟：采樣、量化與編碼，其相應的波形信號如圖2-13所示。圖2-13PCM脈沖編碼調(diào)制過程示意圖采樣速率8000t/s指定數(shù)值給對應的PAM信號將量化值進行編碼模擬信號PAM信號PA2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼

1、采樣（Sampling）

采樣是模擬信號數(shù)字化的第一步。模擬信號是電平連續(xù)變化的信號,采樣是隔一定的時間間隔,將模擬信號的電平幅度值取出來作為樣本,讓其表示原來的信號。采樣頻率f應為：f≥2B

或f＝l／T≥2·f式中：B為通信信道帶寬；T為采樣周期；f為信道允許通過的信號最高頻率。

2、量化（Quantizing）量化是將采樣樣本幅度按量化級決定取值的過程，經(jīng)量化后的樣本幅度為離散的量化級值已不是連續(xù)值。量化的目的是為每一個PAM信號設定一個信號值。2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼1、采樣（Sa2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼量化之前要將信號分為若干量化級,同時,要規(guī)定好每一級對應的幅度范圍。若量化范圍在0～127,則每個采樣用7位二進制(27＝128)來表示,量化速率需要56000bps(8000×7)；若量化的范圍在0～255,則每個采樣用8位二進制（28＝256）來表示，量化速率需要64000bps（8000×8）。3、編碼（Encoding）

編碼是用相應位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。為了能精確地還原成原來的模擬信號，量化值編碼在傳送數(shù)字至數(shù)模轉(zhuǎn)換器時，其速率必須和采樣時一樣。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，信號才會和原來模擬信號波形接近?！纠?-2】聲音的帶寬為4000Hz，采用頻率為8000次/s，用8位二進制編碼，則信道的數(shù)據(jù)傳輸速率為：8×8000＝64000bps＝64kbps。

2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼量化之前要將信號分為若PCM的過程：采樣周期Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原采樣頻率8KHz每個脈沖信號用8bit編碼轉(zhuǎn)換后的PCM信號的速率是64kb/sPCM的過程：采樣周期Tt信號t采樣10010011110數(shù)據(jù)傳輸是網(wǎng)絡通信的物質(zhì)基礎。數(shù)據(jù)傳輸技術涉及的內(nèi)容很多，包括數(shù)據(jù)傳輸媒介、數(shù)據(jù)傳輸帶寬、數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)等。數(shù)據(jù)傳輸涉及的主要內(nèi)容數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)傳輸方式傳輸帶寬傳輸媒介§2.3網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是網(wǎng)絡通信的物質(zhì)基礎。數(shù)據(jù)傳輸技術涉及的內(nèi)容2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，是數(shù)據(jù)通信中實際傳送信息的載體。網(wǎng)絡中常用的傳輸介質(zhì)有：同軸電纜、雙絞線、光纖、微波、衛(wèi)星、紅外線等。1、同軸電纜（CoaxialCable）

同軸電纜是局域網(wǎng)中最早使用而且應用十分廣泛的傳輸介質(zhì)，可以通過專用的中同軸電纜(俗稱粗纜)或小同軸電纜(俗稱細纜)來組網(wǎng)，并廣泛應用于局域網(wǎng)中。同軸電纜由內(nèi)導體、絕緣層、屏蔽層及外部保護層組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。保護層、屏蔽層、絕緣層、導體圖2-14同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖同軸電纜的最大優(yōu)點是抗干擾性強,而且支持多點連接。缺點是物理可靠性不好，所以現(xiàn)在基本上已被雙絞線所替代。2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡中連接收發(fā)2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)

2、雙絞線（TwistedPair）

雙絞線的物理結(jié)構(gòu)是由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根、4根或8根絕緣導線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。雙絞線是模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)通信最普通的傳輸媒體，它的主要應用范圍是電話系統(tǒng)中的模擬話音傳輸，最適合于較短距離的信息傳輸，當超過幾千米時信號因衰減可能會產(chǎn)生畸變，這時就要使用中繼器（Repeater）來放大信號和再生波形。雙絞線的價格在傳輸媒體中是最便宜的，并且安裝簡單，所以得到廣泛的使用。在局域網(wǎng)中一般也采用雙絞線作為傳輸媒體。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線STP（ShieldedTwistedPair）。2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2、雙絞線（TwistedP屏蔽(STP)與非屏蔽(UTP)雙絞線以箔屏蔽以減少干擾和串音3類、5類雙絞線沒有附加屏蔽屏蔽(STP)與非屏蔽(UTP)雙絞線以箔屏蔽以減少干擾2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)單模光纖多模光纖3、光纖（Fiber）

光纖是光導纖維（FiberOptics）的簡稱，采用光導纖維作為傳輸介質(zhì)，是網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)領域中發(fā)展最快、性能最好、應用前途最廣泛的一種。光纖分為單模（8.3/125um）和多模（50/125um，62.5/125um）兩種。2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)單模光纖多模光纖3、光纖（F名稱傳輸介質(zhì)最大段長度每段節(jié)點數(shù)10Base5粗同軸電纜500米10010Base2細同軸電纜185米3010Base-TUTP100米102410Base-F光纖2000米1024100Base-T4UTP100米100Base-TXUTP100米100Base-FX光纖2000米1000Base-SX光纖550米1000Base-LX光纖5000米1000Base-CXSTP25米1000Base-TUTP100米2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)名稱傳輸介質(zhì)最大段長度每段節(jié)點數(shù)10Base5粗同軸電纜502.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)4、微波通信（MicrowaveCommunication）

微波在空間主要是直線傳播，并且能穿透電離層進入宇宙空間,其傳播距離受到限制且與天線的高度有關,一般只有50km左右,長途通信時必須建立多個中繼站,中繼站把前一站發(fā)來的信號經(jīng)過放大后再發(fā)往下一站,類似于“接力”,所以又把微波通信稱為數(shù)字微波接力通信。如果中繼站采用100m高的天線塔，則接力距離可增大到100km，如圖2-19所示。地球視線傳輸視線傳輸微波中繼站圖2-19地面微波接力通信2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)4、微波通信（Microwa2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)5、衛(wèi)星通信（SatelliteCommunication）

1945年,英國人阿塞·克拉克提出了利用衛(wèi)星進行通信的設想。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik，使人們看到了實現(xiàn)衛(wèi)星通信的希望。1962年，美國成功地發(fā)射了第一顆通信衛(wèi)星Telsat，試驗了橫跨大西洋的電話和電視傳輸。由于衛(wèi)星通信具有通信距離遠、費用與通信距離無關、覆蓋面積大、不受地理條件的限制、通信信道帶寬寬、可進行多址通信與移動通信等優(yōu)點，因此它在最近的30多年里獲得了迅速的發(fā)展，并成為現(xiàn)代主要的通信手段之一。

衛(wèi)星通信是利用位于3萬6千公里高空的人造地球衛(wèi)星作為太空無人值守的微波中繼站的一種特殊形式的微波接力通信。衛(wèi)星通信能克服地面微波通信的距離限制,最大特點是通信距離遠,且通信費用與距離無關。衛(wèi)星通信的組成如圖2-20所示。2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)5、衛(wèi)星通信（Satelli2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)20世紀80年代末發(fā)展了稱為“甚小口徑終端”(VSAT)的新一代數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)，90年代廣泛應用于遠程計算機網(wǎng)絡中，如各國的大使館與國內(nèi)之間的通信都是通過VSAT來通信的。VSAT網(wǎng)通常由一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、一個大型主站和大量的VSAT小站組成，能單雙向傳輸數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻等多媒體綜合業(yè)務。VSAT網(wǎng)的基本組成如圖2-21所示。衛(wèi)星衛(wèi)星地球站衛(wèi)星地球站3.6χ104km地球圖2-20衛(wèi)星通信2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)20世紀80年代末發(fā)展了稱為2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)圖2-21VSAT網(wǎng)的組成2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)圖2-21VSAT網(wǎng)的組成2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)VSAT的小站和主站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成星型拓撲結(jié)構(gòu),主站采用大口徑天線，且發(fā)射功率大，小口徑天線發(fā)射功率小，小站與大站之間可以直接通信。【例2-3】衛(wèi)星通信有較大的傳播延時，如果從地球站到衛(wèi)星的距離為40000km，那么從一個地球站經(jīng)過衛(wèi)星到另一個地球站的傳播時延有多大？解：在自由空間中,電磁撥的傳輸速度為300000km/s，從一個地球站經(jīng)過衛(wèi)星到另一個地球站的距離為40000km×2＝80000km所以傳播延時為80000km÷300000km/s＝267ms。2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)VSAT的小站和主站通過衛(wèi)星2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)帶寬速率/工作頻帶性能傳輸距離價格應用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s較好模擬：10km數(shù)字：500m低模擬/數(shù)字信號傳輸50Ω銅軸電纜75Ω銅軸電纜基帶10Mb/s較好＜3km低基帶數(shù)字信號寬帶≤450MHz較好100km中模擬、數(shù)據(jù)、音頻光纖寬帶49Gb/s很好2km以上高高微波寬帶4～6GHz好幾百km中等中等衛(wèi)星寬帶1～10GHz很好18000km高高以上介紹了雙絞線、同軸電纜、光纖、微波、衛(wèi)星通信5種介質(zhì)，其區(qū)別如下：2.3.1數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)帶寬速率/工作性能傳輸距離價2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬基帶傳輸頻帶傳輸寬帶傳輸基帶傳輸是指數(shù)字脈沖信號在傳輸介質(zhì)上保持數(shù)據(jù)波形按原樣進行傳輸。頻帶傳輸指把數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號后再發(fā)送和傳輸，到達接收端再把音頻信號解調(diào)成原來的數(shù)字信號。寬帶傳輸指比音頻更寬的頻帶，若是采用75Ω的CATV同軸電纜或光纖作傳輸介質(zhì)，帶寬為300MHz。在計算機網(wǎng)絡中，根據(jù)傳輸介質(zhì)的信道帶寬可分為基帶、頻帶和寬帶。局域網(wǎng)中主要采用基帶和頻帶傳輸,有線電視和無線局域網(wǎng)中主要采用寬帶傳輸。2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬基帶傳輸頻帶傳輸寬帶傳輸基帶傳輸是2.3.2

數(shù)據(jù)傳輸帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)是衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃缘膮?shù)。有效性主要由數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制速率、信道帶寬、通信容量、誤碼率、傳輸延遲等來衡量；可靠性一般用數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率指標來衡量；比特率和波特率是用來描述系統(tǒng)傳輸率的參量。

1、數(shù)據(jù)傳輸單位（DataTransferUnit）數(shù)據(jù)傳輸單位通?？捎帽忍?、碼元、碼字、碼字來表示。

⑴比特：是二進制的縮寫，即計算機常用術語“位”，在數(shù)據(jù)通信中用來度量消息的信息量。

⑵碼元：是對計算機網(wǎng)絡傳送的二進制數(shù)字中的每一位的通稱。例如二進制數(shù)字1000001是由7個碼元組成的序列。

⑶碼字：在7位ASCII碼中，1000001這7個碼元組成的序列代表字母A，通常將這個字母A稱為“碼字”。2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)是衡量數(shù)據(jù)2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬

2、數(shù)據(jù)傳輸速率（DataTransferSpeed）數(shù)據(jù)傳輸速率是指每秒能傳輸?shù)亩M制信息位數(shù)，又稱為比特率，用bps標記，表示每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)，單位用比特/每秒表示，它可由下式確定：

式中：T為數(shù)字信號脈沖重復周期；N為一個脈沖信號代表的有效狀態(tài)數(shù)，是2的整數(shù)倍。例如二進制的一個脈沖可以表示“0”和“1”兩個狀態(tài)，故N＝2。Log2N為單位脈沖能表示的比特數(shù)，如N＝4時表示一個單位脈沖為2bit。一個數(shù)字脈沖也稱為一個碼元，N為一個碼元所取的有效離散值個數(shù),若一個碼元僅可取0和1兩種離散值,則N＝2；若一個碼元可取00、01、10、11四種離散值，則N＝4。2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬2、數(shù)據(jù)傳輸速率（Data2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬【例2-4】脈碼調(diào)制系統(tǒng)PCM每秒鐘測量取樣800次，量化電平為256個，求數(shù)據(jù)傳輸率。解：信號周期T＝l／8000，量化電平數(shù)N＝256＝28當一個碼元僅取兩種離散值時，S=1／T，表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復頻率。此時的S叫信號傳輸速率，也稱碼元率、調(diào)制速率或波特率，單位為波特(Baud)。若信號碼元的寬度為T秒，則碼元速率定義為：2.3.2數(shù)據(jù)傳輸帶寬【例2-4】脈碼調(diào)制系統(tǒng)PCM每2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)

3、調(diào)制速率（ModulationSpeed）調(diào)制速率也稱為波形速率或碼元速率，它是數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率，表示數(shù)據(jù)傳輸過程中線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)。顯然，波形持續(xù)時間越短，單位時間內(nèi)傳輸?shù)牟ㄐ螖?shù)就越多，則數(shù)據(jù)傳輸速率也越高。數(shù)據(jù)傳輸速率與調(diào)制速率的區(qū)別與聯(lián)系如圖2-22所示。模擬信道解調(diào)器調(diào)制速率傳輸速率計算機調(diào)制器計算機圖2-22數(shù)據(jù)傳輸速率與調(diào)制速率的區(qū)別2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)3、調(diào)制2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)

4、信道帶寬（ChannelBroadband）信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（調(diào)制速率）表示。信道帶寬由信道的物理特性所決定，例如電話線路的頻率范圍在300～3400Hz，那么，它的帶寬范圍也在300～3400Hz。信道寬度用W表示。

5、信道容量（ChannelCapacity）信道容量是指信道能傳輸信息的最大能力，一般用時間內(nèi)最大可傳送的字節(jié)數(shù)來表示。信道容量由信道帶寬F、可使用的時間T以及信道質(zhì)量決定。信道容量和信道帶寬具有正比關系，帶寬越寬，則容量越大，傳輸效率也就越高。關于信道容量的計算有兩條著名的定理。2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)4、信道2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)

⑴奈奎斯特(Nyquist)定理：1942年,H.Nyquist證明，任何一個信號如果通過帶寬為W（Hz）的理想低通濾波器，若每秒取樣2W次，就可以完整地重現(xiàn)該濾波過后的信號。在理想條件下(無噪音有限帶寬W的信道)，其最大的數(shù)據(jù)傳輸速率C（信道容量）為：式中：N為離散性信號或電平的個數(shù)。【例2-6】一個無噪音的3000Hz信道傳輸二進制信號，試問信道容量（可允許的數(shù)據(jù)傳輸速率）是多少？解：由于傳輸?shù)亩M制信號是“1”、“0”兩個電平,即N=2，W=3000Hz，則信道容量：2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)⑴奈奎式中：Rmax為最大功率；W為信道帶寬；L為信道上傳輸?shù)男盘柨扇〉碾x散值的個數(shù)?！纠?-8】一個數(shù)字信號通過兩種物理狀態(tài)，經(jīng)信噪比為20dB的3kHz帶寬信道傳送，其數(shù)據(jù)率不會超過多少？2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)

⑵香農(nóng)（Shannon）定理：1948年，ClaudeShannon在Nyquist定理基礎上進而給出了在噪音的環(huán)境中，信道容量將與信噪功率比有關。信道容量與信道帶寬之間的關系：式中：N為噪音功率；S為信號功率。信道傳輸?shù)男畔⒍嗌偻耆蓭捤鶝Q定。此時，信道中的每秒所傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)由奈奎斯特（Nyquist）準則決定：式中：Rmax為最大功率；W為信道帶寬；L為信道上傳輸?shù)?.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)解：按照Shannon定理，已知信噪比電平為20dB，信噪功率比S/N，最大數(shù)據(jù)傳輸率為：C=WLog2(1+S/N)=3000×Log2(1+100)=19.88kbit/s

6、誤碼率（ErrorRates）誤碼率也稱為出錯率，是指數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下信息傳輸?shù)腻e誤率。在計算機網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中，要求誤碼率低于10-6。誤碼率可以用以下幾種表示方法：誤比特率Pb＝b1(接收的錯誤比特數(shù))/b0(傳輸總比特數(shù)接收的錯誤比特數(shù))誤碼率Pe＝e1(接收碼元中錯誤碼元數(shù))/e2(傳輸總碼元數(shù))誤字率Pw＝w1(接收的錯誤碼字)/w0(傳輸總碼字數(shù))誤組率PBw＝bw1(接收的錯誤組數(shù))/bw0(傳輸信息總組數(shù))2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)解：按照Shannon2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)

7、時延（Delay）時延是指一個報文或分組從一條鏈路的一端傳送到另一端所需的時間，它包括3部分：時延＝發(fā)送時延＋傳播時延＋處理時延

⑴發(fā)送時延：發(fā)送數(shù)據(jù)時使數(shù)據(jù)塊(分組或報文)從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。發(fā)送時延（傳輸時延）＝數(shù)據(jù)塊長度／信道寬度

⑵傳播時延：電磁波在信道上的傳播一定的距離所需要花費的時間速度傳播時延＝信道長度/電磁波在信道上的傳播速度(m/s)

⑶處理時延：數(shù)據(jù)在交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要處理所花費的時間。處理時延的長短取決于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中當時的通信量。當通信量很大時,還會發(fā)生溢出,使分組丟失。2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)7、時延（Delay）2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)【例2-10】若A、B兩臺計算機之間的距離為1000km,假設在電纜內(nèi)信號的傳播速度是2×108m/s,試對下列兩種鏈路分別計算發(fā)送時延和傳播時延。⑴數(shù)據(jù)塊長度為108bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Mbps；⑵數(shù)據(jù)塊長度為1000bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Gbps；解：根據(jù)上述計算發(fā)送時延公式和計算傳播時延公式，分別求出不同鏈路的不同時延。⑴發(fā)送時延＝108bit/(1Mbps)＝100s傳播時延＝1000bit/(2×108m/s)＝5ms⑵發(fā)送時延＝1000bit/(1Gbps)＝1μs傳播時延＝1000km/(2×108m/s)＝5ms通過此例說明，并非信道帶寬越寬，數(shù)據(jù)在信道上跑的速度越快。2.3.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量參數(shù)【例2-10】若A、B兩2.3.4串行傳輸與并行傳輸

1、串行傳輸（SerialTransmission）

串行傳輸是指數(shù)據(jù)以串行方式，在一條信道上傳輸。在計算機中，通常是用8位的二進制代碼來表示一個字符。在數(shù)據(jù)通信中，串行傳輸方式如圖2-23所示。接收設備發(fā)送設備1234567812387645并行到串行的轉(zhuǎn)換串行到并行的轉(zhuǎn)換圖2-23串行傳輸示意圖2.3.4串行傳輸與并行傳輸1、串行傳輸（2.3.4串行傳輸與并行傳輸接收設備發(fā)送設備12345678校驗數(shù)據(jù)位1數(shù)據(jù)線

2、并行傳輸（ParallelTransmission）

并行傳輸是指數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上傳輸。將表示一個字符的8位二進制代碼同時通過8條并行的通信信道發(fā)送出去，這種工作方式稱為并行通信，如圖圖2-24所示。圖2-24并行傳輸示意圖2.3.4串行傳輸與并行傳輸接收設備發(fā)送設備12345672.3.5同步傳輸與異步傳輸

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，整個計算機通信系統(tǒng)能否正確有效地工作，在相當程度上依賴于是否能很好地實現(xiàn)同步。目前,串行通信的傳輸按通信約定的格式分為兩種，即同步通信方式和異步通信方式。

1、同步傳輸（Synchronous）

⑴位同步：在數(shù)據(jù)通信過程中，接收端根據(jù)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的起止時間和時鐘頻率來校正自己的時間基準與時鐘頻率，這個過程就叫做位同步。實現(xiàn)位同步的方法主要有以下兩種：

①外同步法。是在發(fā)送端發(fā)送一路數(shù)據(jù)信號的同時，另外發(fā)送一路同步時鐘信號。接收端根據(jù)接收到的同步時鐘信號來校正時間基準與時鐘頻率，實現(xiàn)收發(fā)雙方的位同步。2.3.5同步傳輸與異步傳輸在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，整個2.3.5同步傳輸與異步傳輸

②內(nèi)同步法。是從自含時鐘編碼的發(fā)送數(shù)據(jù)中提取同步時鐘的方法，曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼都是自含時鐘的編碼方法。

⑵字符同步：為保證收發(fā)雙方正確傳輸字符,將字符以組為單位傳送，在每組字符之前加上一個用于同步控制的同步字符SYN，數(shù)據(jù)結(jié)束后加上后同步信號，接收端根據(jù)SYN與后同步信號確定數(shù)據(jù)字符的起始與終止。同步傳輸方式如圖2-25所示。圖2-25同步傳輸方式示意圖1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字節(jié)數(shù)據(jù)幀同步字節(jié)2.3.5同步傳輸與異步傳輸②內(nèi)同步法。是從自含2.3.5同步傳輸與異步傳輸

2.異步傳輸（asynchronous）

異步傳輸一次只傳輸一個字符,每個字符用一位起始位引導、一位停止位結(jié)束。起始位為“0”,占一位;停止位為“1”,占1-2位。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位，接收方根據(jù)“1”至“0”的跳變來判別一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。異步傳輸方式如圖2-26所示。11011010101001101100100010110101101100數(shù)據(jù)傳輸方向停止位數(shù)據(jù)位起始位圖2-26異步傳輸方式示意圖2.3.5同步傳輸與異步傳輸2.異步傳輸（asy

指傳送的信息始終是一個方向傳送,沒反方向的交互。其信道一般是二線制，一根用于傳輸數(shù)據(jù),另一根用于監(jiān)測信號。

允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸,但在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸,它實際上是一種切換方向的單工通信。

允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸,它是兩個單工通信方式的結(jié)合,它要求發(fā)送設備和接收設備都有獨立的接收和發(fā)送能力。2.3.6單向傳輸與雙向傳輸單工數(shù)據(jù)傳輸半雙工數(shù)據(jù)傳輸全雙工數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)在通信線路上傳輸是有方向的，根據(jù)信號傳送的方向與時間關系，數(shù)據(jù)通信可分為三種基本工作方式：單工通信、半雙工通信與全雙工通信。指傳送的信息始終是一個方向傳送,沒反允許數(shù)據(jù)在兩個方向§2.4網(wǎng)絡多路復用傳輸多路復用器多路復用器一條傳輸線路傳輸多路信號計算機計算機傳輸信號要求的帶寬與傳輸介質(zhì)允許通過的帶寬是不一樣的，為了節(jié)省開銷，應當充分利用傳輸介質(zhì)的帶寬。在一條介質(zhì)上同時傳送多于一路以上信號的傳輸方式，叫做該介質(zhì)的多路復用。多路復用傳輸技術的基本原理如圖2-30所示。圖2-30多路復用基本原理示意圖§2.4網(wǎng)絡多路復用傳輸多路復用器多路復用器一條傳輸線路傳2.4.1頻分多路復用

1、頻分多路復用的概念

在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。頻分多路復用的基本工作原理如圖2-31所示。圖2-31頻分多路復用原理示意圖信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路復用器多路復用器源1源2源3源4源5源6目標1目標2目標3目標4目標5目標6信道帶寬Bm警戒頻帶Bg2.4.1頻分多路復用1、頻分多路復用的概念圖22.4.1頻分多路復用圖2-32頻分多路技術實現(xiàn)示意圖104～108kHz108kHz0～4Hz60～64kHz64kHz0～4Hz100～104kHz104kHz0～4Hz0～4Hz108kHz104～108kHz0～4Hz104kHz100～104kHz電話機1電話機n電話機20～4Hz64kHz60～64kHz低通調(diào)制器帶通多路復用器低通調(diào)制器帶通調(diào)制器帶通低通帶通調(diào)制器低通帶通調(diào)制器低通調(diào)制器低通帶通多路復用器

2、頻分多路復用的技術實現(xiàn)

頻分多路復用主要用于電話模擬信號的傳輸。頻分多路復用技術用于模擬信號的頻分傳輸，主要用于電話和電視系統(tǒng)。一根CATV電纜的帶寬大約是500MHz，可傳送80個頻道的電視節(jié)目。每個頻道6MHz的帶寬中又進一步劃分為聲音子通道、視頻子通道以及彩色子通道，并留有警戒頻帶。2.4.1頻分多路復用圖2-32頻分多路技術實現(xiàn)示意2.4.2時分多路復用

1、時分多路復用的概念時分多路復用（TDM）是將一條物理信道的傳輸時間劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其占有的時間片內(nèi)用戶使用通信信道的全部帶寬。如果與FDM相比較,由于FDM是以信道頻帶作為分割對象,通過為多個信道分配互不重疊的頻率范圍的方法來實現(xiàn)多路復用，因此頻分多路復用更適于模擬數(shù)據(jù)信號的傳輸，而TDM則以信道傳輸時間作為分割對象，通過為多個信道分配互不重疊的時間片的方法來實現(xiàn)多路復用，因此更適合于數(shù)字數(shù)據(jù)信號的傳輸。

2、時分多路復用的實現(xiàn)時分多路復用在技術實現(xiàn)上，可分為同步時分多路復用和異步時分多路復用兩種方式。2.4.2時分多路復用1、時分多路復用的概2.4.2時分多路復用

(1)同步時分：指發(fā)送端的多臺計算機通過一條線路向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)時進行分時處理，它們以固定的時隙進行分配。

(2)異步時分：又被稱為統(tǒng)計時分復用技術，它能動態(tài)地按需分配時隙，以避免每個時隙段中出現(xiàn)空閑時隙。異步時分在分配時隙時是不固定的，而是只給想發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送端分配其時隙段，當用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時，則不給它分配時隙。要接收的數(shù)據(jù)AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD復用器解復器要發(fā)送的數(shù)據(jù)時隙浪費,信道資源利用率底一個周期的數(shù)據(jù)塊(幀)在不同時刻，開關切換到不同的輸入設備2.4.2時分多路復用(1)同步時分：指發(fā)送端的同步時分復用可能會造成線路資源的浪費

ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用同步時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

同步時分復用可能會造成線路資源的浪費ABCDaabbcdb異步時分復用STDM

用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用集中器異步時分復用STDM

用戶ABCDabcdttttt3個2.4.3密集波分多路復用

1、波分多路復用（WDM）

采用的是波長分隔多路復用技術,在同一傳輸信道內(nèi)傳輸多路不同波長的光信號。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所不同的是WDM應用于光纖信道上的光波傳輸過程,而FDM應用于電模擬傳輸。波分多路復用原理如圖2-34所示。圖2-34波分多路復用原理2.4.3密集波分多路復用1、波分多路復用（WDM）2.4.3密集波分多路復用

2、密集波分多路復用密集波分多路復用(DWDM)是在WDM上發(fā)展起來的。最初，在一根光纖上只能傳送兩路光波信號，CIENA首先推出了16路信道系統(tǒng)，現(xiàn)在已能做到在一根光纖上復用80路甚至更多路數(shù)的光載波信號。DWDM的工作原理如圖2-35所示。

圖2-35密集波分多路復用原理示意圖復用器012345671550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm1550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm0123456720GbpsEDFA120km分用器2.4.3密集波分多路復用2、密集波分多路2.4.4碼分多路復用1、碼分多路復用的概念碼分多路復用(CDM)是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術,筆記本電腦和掌上電腦等移動性計算機的連網(wǎng)通信將會大量使用碼分多路復用技術。在CDM系統(tǒng)中,所有用戶占用相同的帶寬，使用同一頻率同時發(fā)送或接收信號，各個用戶的信號用各自不同的地址碼序列來區(qū)分。2、碼分多路復用的基本原理

CDM的理論基礎是微波擴頻通信，利用擴頻通信中不同碼型的擴頻碼之間的相關性，為每個用戶分配一個擴頻編碼，以區(qū)別不同的用戶信號,發(fā)送端可用不同的擴頻編碼分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端用不同的擴頻編碼進行解碼,就可得到不同發(fā)送端送來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多址通信。2.4.4碼分多路復用1、碼分多路復用的概念2.4.4碼分多路復用3、碼分多路復用的實現(xiàn)

CDM是建立在波分多路復用的基礎上,既利用了一個波長不同的信道，又可使不同的用戶共享一個信道，但不同用戶具有不同的正交碼形，互不重疊，其實現(xiàn)技術如圖2-36所示。

圖2-36直接擴頻CDM的衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收端基礎調(diào)制多路調(diào)制…信碼輸出載波產(chǎn)生器偽碼產(chǎn)生器∑信源上變頻本地碼產(chǎn)生器下變頻帶通積分判決同步/載波IBDDBKJHGFEAC其它地址信號多路解調(diào)基礎解調(diào)發(fā)送端衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器2.4.4碼分多路復用3、碼分多路復用的實現(xiàn)圖2§2.5網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換

各種數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后在通信線路上進行傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信最簡單的方式是利用傳輸介質(zhì)將兩個端點直接相連，但每個通信系統(tǒng)都采用把收發(fā)兩端直接相連的形式是不可能的，通常通過一個由多個結(jié)點組成的中間網(wǎng)絡，把數(shù)據(jù)從源結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的結(jié)點，實現(xiàn)相互通信。因此，數(shù)據(jù)交換是研究如何通過中間網(wǎng)絡實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)計算機之間的數(shù)據(jù)交換問題。目前，常用的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換方式可歸結(jié)為以下4種:

★電路交換★報文交換★分組交換★快速交換§2.5網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換各種數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后在通信線2.5.1電路交換在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立一條端到端的電路。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)。

數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，由某一方發(fā)出拆除請求然后逐節(jié)拆除到對方節(jié)點。(1)電路建立(2)數(shù)據(jù)傳輸(3)電路拆除

1、電路交換概念電路交換是根據(jù)電話交換原理發(fā)展起來的一種直接交換方式。在數(shù)字通信中，電路交換傳輸主要是應用同步傳輸模式來實現(xiàn)的。電路交換的過程分為3個步驟：電路交換原理如下圖所示。2.5.1電路交換在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立2.5.1電路交換源節(jié)點A交換節(jié)點1交換節(jié)點6呼叫請求呼叫應答數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)釋放請求釋放應答目的節(jié)點B電路建立數(shù)據(jù)傳輸電路拆除源節(jié)點A目的節(jié)點B公用電話交換網(wǎng)1234562.5.1電路交換源節(jié)點A交換節(jié)點1交換節(jié)點6呼叫請求呼叫2.5.1電路交換2、電路交換的優(yōu)點(1)

連接建立后,數(shù)據(jù)以固定的傳輸率傳輸,傳輸延遲小。(2)

由于物理線路被單獨占用,故不可能發(fā)生沖突;(3)

適用于實時大批量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。3、電路交換的缺點(1)

建立連接將跨多個設備或線纜，則會需要花費很長的時間。(2)

連接建立后，由于線路是專用的，即使空閑，也不能被其它設備使用造成一定的浪費。(3)

對通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式和傳輸控制等一致才能完成通信。2.5.1電路交換2、電路交換的優(yōu)點2.5.2報文交換1、報文交換的工作原理報文交換類似于發(fā)送信件，是以報文為單位發(fā)送信息，不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長度是多少都把它當作一個邏輯單元，每個報文由報頭、正文和報尾3部分組成，報頭中包含發(fā)送計算機的地址和接收信息的計算機地址。通信子網(wǎng)根據(jù)報頭目的地址選擇路徑在兩個結(jié)點之間的一段鏈路上逐段傳輸，不需要在兩個主機之間建立多個結(jié)點組成的通道,報文交換過程如圖2-39所示。主機A主機BCCCDCGCA通信子網(wǎng)CFCBCE圖2-39報文交換過程2.5.2報文交換1、報文交換的工作原理主機A主機2.5.2報文交換

2、報文交換的優(yōu)點

⑴電路利用率高。報文可以分時共享交換設備間的線路。

⑵

在電路交換網(wǎng)絡上，當通信量變得很大時,就不能接受新的呼叫。而在報文交換網(wǎng)絡上,通信量大時仍然可以接收報文,不過傳送延遲會增加。

⑶

報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網(wǎng)絡很難做到這一點。

⑷

報文交換網(wǎng)絡可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。3、報文交換的缺點

⑴

數(shù)據(jù)的傳輸延遲比較長，且延遲時間長短不一，因此不適用于實時或交互式的通信系統(tǒng)。

⑵

當報文傳輸錯誤時，必須重傳整個報文。2.5.2報文交換2、報文交換的優(yōu)點2.5.3分組交換分組交換是報文交換的改進，因而又稱為報文分組交換。它將報文分成若干個分組,每個分組的長度有一個上限,有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，以提高交換速度。分組交換適用于交互式通信，如終端與主機通信。報文分組的結(jié)構(gòu)如圖2-40所示。1010010101…0110011010首部數(shù)據(jù)首部數(shù)據(jù)首部數(shù)據(jù)報文報文圖2-40報文分組的組成報文分組交換是在電路交換和報文交換的基礎上發(fā)展起來的,因而結(jié)合了兩者的優(yōu)點,并且有數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式。2.5.3分組交換分組交換是報文交換的改進，因而又2.5.3分組交換

1、數(shù)據(jù)報方式在數(shù)據(jù)報方式中子網(wǎng)接收主機A發(fā)送的報文經(jīng)編址、拆卸后分成若干分組,設有3個分組P1、P2、P3。CA將根據(jù)子網(wǎng)當前的通路情況及通信量情況,將分組P1、P2、P3沿不同的子網(wǎng)路徑發(fā)送出去,接收端將接收的分組重新組裝成報文。這類服務沒有建立鏈路和拆除鏈路的過程，如圖2-42所示。圖2-42數(shù)據(jù)報方式交換過程主機ACCCDCGCA通信子網(wǎng)CFCBCEP1P2P3P3P2P1P2P1P1P2P3P3P1P3主機B2.5.3分組交換1、數(shù)據(jù)報方式圖2-42數(shù)2.5.3分組交換

2、虛電路方式

虛電路方式是試圖將數(shù)據(jù)報方式與電路交換方式結(jié)合起來，發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點,達到最佳的數(shù)據(jù)交換效果。與電路交換方式類似，虛電路方式在數(shù)據(jù)傳輸前也要建立一條傳輸通路，但這條通絡是邏輯的而非物理的。虛電路方式兩個用戶的終端設備在開始互相發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之前需要通過通信網(wǎng)絡建立邏輯上的連接，用戶不需要在發(fā)送和接收時清除連接。虛電路可以通過呼叫請求建立，并要賦予虛電路號。子網(wǎng)中的結(jié)點之間就是通過虛電路號將分組沿子網(wǎng)中的結(jié)點逐站傳遞。虛電路的工作方式如圖2-43所示。2.5.3分組交換2、虛電路方式2.5.3分組交換A1一B1虛電路：VC1＝LCl(3)＋LC2(2)＋LC3(1)A2一C1虛電路：VC2＝LCl(2)＋LC2(1)＋LC4(3)A3一Dl虛電路：VC3＝LC1(1)＋LC5(4)用戶A1與用戶B1建立的虛電路為VCl＝LCl(3)+LC2(2)+LC3(1)用戶A2與用戶C1建立的虛電路為VC2＝LCl(2)+LC2(1)+LC4(3)用戶A3與用戶D1建立的虛電路為VC3＝LCl(1)＋LC5(4)3LC32用戶B1用戶C1用戶A1用戶A2用戶A3用戶D1結(jié)點B結(jié)點C結(jié)點A結(jié)點D中繼結(jié)點1中繼結(jié)點2傳輸媒體411213LC1LC5LC2LC4圖2-43虛電路的工作方式2.5.3分組交換A1一B1虛電路：VC1＝LCl(3)＋2.5.3分組交換對比的內(nèi)容虛電路數(shù)據(jù)報連接的建立必須有不要目的站地址僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路信號每個分組都有目的站的全地址路由選擇在虛電路建立時進行，所有分組均按同一路由每個分組都有獨立選擇的路由路由器出現(xiàn)故障所有通過出故障的路由器的虛電路均不能工作出故障的路由器可能對丟失分組，一些路由會發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達目的站到達目的站時可能不按發(fā)送順序端到端的差錯控制由通信子網(wǎng)負責由主機負責端到端的流量控制由通信子網(wǎng)負責由主機負責由于虛電路方式具有電路交換與分組交換技術的優(yōu)點，因此在計算機網(wǎng)絡中得到了廣泛的應用。虛電路服務與數(shù)據(jù)報服務的主要區(qū)別如下表：2.5.3分組交換對比的內(nèi)容虛電路數(shù)據(jù)報連接的建立必須有不2.5.4幀中繼交換由于在數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)單元被稱為幀，故將此技術稱為幀中繼（FRS），它是在OSI數(shù)據(jù)鏈路層上用簡化的方法傳送和交換數(shù)據(jù)單元的一種技術。幀中繼交換結(jié)構(gòu)如下圖所示。作為DTE的交換機DTE作為DTE的路由器FRADFRSFRSFRSFRSDCEDCEDCEDCE幀中繼交換結(jié)構(gòu)圖2.5.4幀中繼交換由于在數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)單元被稱2.5.4幀中繼交換高效性

經(jīng)濟性可靠性靈活性幀中繼交換的特點主要體現(xiàn)在以下4個方面

1、幀中繼交換的特點

幀中繼使用分組交換協(xié)議，該協(xié)議采用統(tǒng)計復用技術，從單條線路上的用戶站點多個信息源處裝載數(shù)據(jù)到幀中繼網(wǎng)絡。幀中繼是以分組交換技術為基礎，利用數(shù)字系統(tǒng)低誤碼率的特點和虛電路交換的優(yōu)點，簡化了可靠性傳輸和差錯控制機制，從而獲得良好性能的革新技術。2.5.4幀中繼交換高效性經(jīng)濟性可靠性靈活性幀中繼交換的2.5.4幀中繼交換2、幀中繼交換的主要應用幀中繼探測誤碼和阻塞的能力非常小。這是由于幀中繼的開發(fā)是基于傳輸媒介，是相對可靠和無誤碼的，終端用戶的應用程序能夠探測和恢復分組的誤碼。正是由于幀中繼具有良好的性能特點，因此得到廣泛應用，主要體現(xiàn)在以下5個方面：數(shù)據(jù)幀是以數(shù)據(jù)塊（幾千個比特）進行交換的，因此很適合高分辨率的圖像傳輸，這類應用的特點是低延遲和高吞吐率。高吞吐率特別適合大型文件的傳輸，以便在較短的時間內(nèi)完成。數(shù)據(jù)塊交互文件傳輸2.5.4幀中繼交換2、幀中繼交換的主要應用數(shù)據(jù)幀2.5.4幀中繼交換文字僅使用較短的幀，因而這類應用的特點是低延遲和低吞吐率。幀中繼適用于處理突發(fā)性信息和可變長度幀的信息,因此特別適用于局域網(wǎng)的互聯(lián)。目前，幀中繼交換技術已廣泛地應用于公共和專用網(wǎng)絡上。字符交互通信突發(fā)性信息把大量低效率的應用通過幀中繼復用起來可以取得較好的經(jīng)濟效果。低效率復用2.5.4幀中繼交換文字僅使用較短的幀，因而這類應用的特點2.5.5

ATM信元交換

ATM

是異步傳輸模式的簡稱，是建立在電路交換和分組交換基礎上的一種面向連接的快速分組交換技術,它能最大限度地發(fā)揮電路交換與分組交換技術的優(yōu)點,具有從實時的話音信號到高清晰度電視圖像等各種高速綜合業(yè)務的傳輸能力。它采用定長分組做為傳輸和交換的單位，這種分組被稱為信元。1、ATM信元結(jié)構(gòu)分組交換的基本數(shù)據(jù)傳輸單元是分組,為了與X.25協(xié)議的分組(Packet)相區(qū)分，所以在ATM中稱為信元(Cell)。圖2-47ATM信元結(jié)構(gòu)

ATM由一個長度為5字節(jié)的信元頭和一個長度為48字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-47所示。2.5.5ATM信元交換ATM是異步傳輸模式的簡2.5.5

ATM信元交換

2、ATM信元通道ATM信元交換是通過物理鏈路(PL)來實現(xiàn)的,PL是連接ATM交換機─ATM交換機、ATM交換機─ATM主機的物理線路。每條物理鏈路可以包含一條或多條虛通路(VP),虛通路可以是永久的,也可以是交換式的。每條虛通路中可以有單向或雙向的數(shù)據(jù)流，ATM支持不對稱的數(shù)據(jù)速率，即允許兩個方向的數(shù)據(jù)速率可以是不同的。每條虛通路可包含一條或多條虛通道(VC)。PL、VP、VC三者之間的關系如圖2-48所示。圖2-48PL、VP、VC之間的關系VCVCVCVCPLVPVPATM的傳輸是在端用戶之間建立直接的虛連接,ATM定義了兩種類型的虛連接，即虛通路連接(VPC)與虛通道連接(VCC)。2.5.5ATM信元交換2、ATM信元通道圖2-2.5.5

ATM信元交換3、

ATM信元傳送在ATM交換中，文本、語音、視頻等所有數(shù)據(jù)被分解為長度固定的信元在網(wǎng)絡中傳遞,在接收端恢復成所需的格式。信元在網(wǎng)絡中傳輸期間出現(xiàn)的一切問題都由終端來處理，使得傳送機制變得十分簡單。正是由于ATM采用固定長度的信元，并將信道劃分為時間片序列，每個時間片用來傳輸一個信元，時間片與信元一一對應，因而大大簡化了對信元的傳輸控制和網(wǎng)內(nèi)協(xié)議。信元方式的信息傳送如圖2-50所示。

圖2-50信元方式信息傳送示意圖信適元物配交理層換層層信物元適理交配層換層層信元傳送數(shù)字信號視頻信號語音中間結(jié)點固定長度信元信元交換層物理層2.5.5ATM信元交換3、ATM信元傳送圖2§2.6網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸差錯控制編碼器數(shù)據(jù)打包處理自適應碼率控制自適應非均勻糾錯控制反饋控制解碼器傳輸網(wǎng)絡Feedbackinformationpacketsbitstreamspackets在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，差錯的產(chǎn)生是不可避免的，差錯控制技術是分析差錯產(chǎn)生的原因與差錯類型、研究發(fā)現(xiàn)差錯、糾正差錯，把差錯控制在盡可能小的允許范圍內(nèi)的技術和方法?！?.6網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸差錯控制編碼器數(shù)據(jù)打包處理自適應碼2.6.1差錯的產(chǎn)生與類型圖2-52差錯產(chǎn)生的過程1、差錯的產(chǎn)生

在數(shù)據(jù)通信過程中，由于信號的衰減、噪音的干擾，通信線路上的數(shù)據(jù)信號與干擾信號疊加在一起，會造成接收端接收到發(fā)生差錯的數(shù)據(jù)。例如，把“1變?yōu)?”和把