ch數(shù)據(jù)通信技術實用實用教案

1、數(shù)據(jù)通信基本知識 3.1.1 信息、數(shù)據(jù)與信號 3.1.2 通信的基本要求 3.1.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 3.1.4 信道的最大容量 3.1.5 計算機網(wǎng)絡中的速率 3.1.6 基帶傳輸(chun sh)和頻帶傳輸(chun sh) 3.1.7 通信雙方的交互方式 3.1.8 異步傳輸(chun sh)和同步傳輸(chun sh)第1頁/共105頁第一頁，共106頁。信息、數(shù)據(jù)(shj)與信號數(shù)據(jù)：實現(xiàn)約定的、具有某種含義的數(shù)字或字母(符號)以及它們的組合。信息：數(shù)據(jù)的內容和解釋。信號：信號是數(shù)據(jù)的電磁或電子編碼。信息是在人們之間傳遞的知識，數(shù)據(jù)是信息的具體(jt)表現(xiàn)形式，其本身是各種各樣的

2、物理符號或它們的組合信號是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過編碼轉換為電信號后才能在傳輸介質中傳輸?shù)?頁/共105頁第二頁，共106頁。信道(xn do) 信源：產(chǎn)生和發(fā)送信號 信宿：接受和處理信號 信道：信源和信宿之間的傳輸線路和傳輸設備。 物理信道和邏輯信道，同一物理信道可提供(tgng)多條邏輯信道，而每一邏輯信道上只允許一路信號通過。第3頁/共105頁第三頁，共106頁。 串行通信串行傳輸是一位一位地傳送，從發(fā)送端到接收端只要(zhyo)一根傳輸線即可,節(jié)省設備，適用于遠程通信 接收設備2314567812345678發(fā) 送設備串行到并行(bngxng)的轉換并行(bngxng)到串行

3、的轉換第4頁/共105頁第四頁，共106頁。 并行通信(tng xn)并行傳輸?shù)乃俾矢撸梢砸淮?同時傳輸若干比特的數(shù)據(jù)。 2345678發(fā) 送設備接 收設備校驗(xio yn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)位第5頁/共105頁第五頁，共106頁。數(shù)據(jù)通信主要指標與信道極限(jxin)容量 數(shù)據(jù)在信道中是以電信號的形式傳送的，分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是連續(xù)變化的電壓或電流波形，數(shù)字信號是一系列表示數(shù)字“0”和“1”的電脈沖。 模擬傳輸系統(tǒng)采用放大器增加信號能量，但會放大噪聲，造成(zo chn)誤差積累；數(shù)字傳輸系統(tǒng)采用中繼器，利用碼元再生法重傳，有效解決了誤差積累問題。第6頁/共105頁第六頁，共106

4、頁。 模擬信號與數(shù)字信號tta) 模擬信號b) 數(shù)字信號第7頁/共105頁第七頁，共106頁。數(shù)據(jù)通信主要(zhyo)指標與信道極限容量 信號(xnho)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率 信道容量 誤碼率第8頁/共105頁第八頁，共106頁。q 信道(xn do)(Channel)：傳送信息的線路（或通路）q 比特率(Bit Rate)：數(shù)據(jù)傳輸速率 (bps，b/s)q 碼元(Code Cell)：時間軸上的一個信號編碼單元t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號(xnho)同步(tngb)脈沖同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元的開始t第9頁/共105頁第九頁，共106頁。信號(xnho)傳輸速率 波

5、特率： 每秒鐘傳送的碼元數(shù)，或者說每秒鐘信號（比如電壓）變化的次數(shù)，單位 為波特（baud)。 如果是脈沖信號，波特率可按下式計算： B=1/T (Baud) 其中 T 為一個脈沖信號的時間(shjin)長度 第10頁/共105頁第十頁，共106頁。數(shù)據(jù)通信主要指標(zhbio)與信道極限容量 信號(xnho)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率 信道容量 誤碼率第11頁/共105頁第十一頁，共106頁。數(shù)據(jù)(shj)傳輸速率 比特率：指每秒鐘能傳送的二進制位數(shù)，單位為比特/秒（bps）。通常將比特率作為數(shù) 據(jù)傳輸率。 比特率與波特率的關系(gun x)： 設比特率為 S，波特率為 B，則 S = Blog

6、2N (bps), N為碼元狀態(tài)數(shù) 根據(jù)奈奎斯特定律 Bmax= 2H ，則有： Smax= 2Hlog2N (bps) 第12頁/共105頁第十二頁，共106頁。波特率與比特率比較(bjio) 波特率為每秒傳送多少個碼元 比特率為每秒傳送多少個二進制位 。 信息傳輸速率“比特/秒”與碼元傳輸速率“波特”在 數(shù)量上有一定的關系： 若 1 個碼元只攜帶(xidi) 1 bit 信息量，則“比特/秒” 和 “波特”在數(shù)值上相等。 若 1 個碼元攜帶(xidi) n bit 信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為 M n b/s 第13頁/共105頁第十三頁，共106頁。波特

7、率與比特率比較(bjio)圖 2 種信號電平,（即碼元有2種） 每個碼元攜帶 1位二進制信息 波特率8 Baud 比特率8 bps 4 種信號電平,（即碼元有4種） 每個碼元攜帶 2位二進制信息 波特率8 Baud 比特率16 bps1秒第14頁/共105頁第十四頁，共106頁。數(shù)據(jù)通信主要(zhyo)指標與信道極限容量 信號(xnho)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率 信道容量 誤碼率第15頁/共105頁第十五頁，共106頁。信道容量 根據(jù)奈奎斯特定理，只要碼元的狀態(tài)數(shù)增加，比特率就增加，因此無噪信道容量是無限的。 Smax= 2Hlog2N (bps) 但實際(shj)信道總是有噪聲的，實際(shj

8、)的信道容量由信道本身的特征（帶寬，信噪比）決定，與具體通信手段無關。 根據(jù)香農定理，有噪聲信道容量 S = 2Hlog2(1+S/N） (bps) 其中，S/N為信道的信噪比。信噪比也通常用分貝（dB）來表示，信噪比分貝數(shù)和 S/N的關系是： 信噪比（dB）= 10 log10S/N第16頁/共105頁第十六頁，共106頁。數(shù)據(jù)通信主要指標(zhbio)與信道極限容量 信號(xnho)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率 信道容量 誤碼率第17頁/共105頁第十七頁，共106頁。誤碼率 傳輸(chun sh)出錯的碼元數(shù)占傳輸(chun sh)總碼元數(shù)的比例。設傳輸(chun sh)總碼元數(shù)為 N，傳輸(

9、chun sh)出錯的碼元數(shù)為 Ne,則誤碼率為 Pe = Ne/N 根據(jù)誤碼率的大小選擇合適的數(shù)據(jù)單元大小來傳輸(chun sh)。第18頁/共105頁第十八頁，共106頁。通信(tng xn)雙方的交互方式 依據(jù)通信的方向討論，通信雙方信息交互的方式有三種基本方式 單向通信，只能有一個方向上的通信，即A只能傳給B 雙向交替通信，通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能同時發(fā)送，在某一個時刻僅存在一個方向上的通信 雙向同時通信，通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息 這里需要指明的是 上述三個基本方式是規(guī)范的術語，分別對應(duyng)以前的單工、半雙工、全雙工第19頁/共105頁第十九頁，共106頁。通

10、信(tng xn)雙方的交互方式 第20頁/共105頁第二十頁，共106頁。異步傳輸(chun sh)和同步傳輸(chun sh) 在計算機網(wǎng)絡和通信(tng xn)網(wǎng)絡中都是采用串行傳輸，這是由于遠距離傳輸要考慮到技術實現(xiàn)上的要求和傳輸線路的費用 串行傳輸在具體應用中，又分為異步和同步傳輸 異步和同步傳輸都要考慮收發(fā)雙方的同步，即接收方能夠正確的區(qū)分所收到數(shù)據(jù)的每一位 異步傳輸是一次傳輸一個字符，字符之間有不確定的間隔，每個字符由1位起始位標識，起始位的值為0，字符由5-8位二進制數(shù)組成，例如采用ASCII編碼的字符，后跟1-2位停止位，停止位的值為1 同步傳輸是一次傳輸一個數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的

11、內容可以是若干二進制位，也可以是若干字符，每一位與前一位之間的傳輸時間是確定的，即是可知的第21頁/共105頁第二十一頁，共106頁。 字符內部的各個比特采用固定(gdng)的時間模式，每個字符獨立傳輸，字符之間間隔任意，用獨特的起始位和終止位來限定每個字符。傳輸效率較低 起 終 始 止 位 1 1 1 0 1 0 1 0 位 線路空閑 線路空閑起始位一個字符下一字符異步傳輸(chun sh)第22頁/共105頁第二十二頁，共106頁。異步傳輸(chun sh)和同步傳輸(chun sh) 第23頁/共105頁第二十三頁，共106頁。傳輸(chun sh)介質 3.2.1 傳輸(chun sh

12、)介質的分類 3.2.2 有線傳輸(chun sh)介質 3.2.3 無線傳輸(chun sh)介質 3.2.4 衛(wèi)星傳輸(chun sh)第24頁/共105頁第二十四頁，共106頁。傳輸介質(jizh)的分類 傳輸介質用作信號的通路 每一種傳輸介質在數(shù)據(jù)傳輸率、傳輸時延、安裝(nzhung)、維護和成本上有不同的特性。適應的網(wǎng)絡應用環(huán)境也不同 傳輸介質分為 有線傳輸介質 無線傳輸介質。 在有線傳輸介質中 電信號的傳播速度是光速的三分之二，即每秒20萬Km（千米） 在無線傳輸介質中 電信號的傳播速度等于光速，為每秒30萬Km（千米） 在網(wǎng)絡的最低層次上，所有計算機通信都以某種能量形式對數(shù)據(jù)進行

13、編碼，并將這些能量通過傳輸介質發(fā)送 第25頁/共105頁第二十五頁，共106頁。有線傳輸(chun sh)介質 雙絞線是由一對相互絕緣的導線纏繞在一起構成的，兩條導線纏繞在一起 雙絞線在Ethernet網(wǎng)和Token Ring網(wǎng)中用得相當多，它常用作總線型拓撲結構或星形拓撲結構連線 雙絞線分為屏蔽和非屏蔽兩大類 在這兩大類中又分100歐姆非屏蔽電纜(dinln)、雙體電纜(dinln)、大對數(shù)電纜(dinln)、150歐姆屏蔽電纜(dinln)和100歐姆屏蔽電纜(dinln)第26頁/共105頁第二十六頁，共106頁。5類UTP的特性(txng)描述 第27頁/共105頁第二十七頁，共106

14、頁。雙絞線圖示及UTP-5UTP-5的線序第28頁/共105頁第二十八頁，共106頁。同軸電纜(tn(tn zhu zhu din din ln) ln) 同軸電纜是最早用于數(shù)據(jù)網(wǎng)和局域網(wǎng)的一種線纜類型 它中央是銅芯，銅芯外包著一層絕緣層，絕緣層外是一層屏蔽層，屏蔽層把電線很好地包起來，再往外就是外包皮了 用于局域網(wǎng)的同軸電纜 是為支持以太網(wǎng)設計的，用在符合(fh)IEEE 802.3標準Ethernet網(wǎng)絡環(huán)境中，阻抗為50的電纜 又分為RG58A/U標準的細纜和RG11標準的粗纜，細纜的塑料外皮顏色為黑色，粗纜的塑料外皮顏色為黃色 第29頁/共105頁第二十九頁，共106頁。光纖 光纖通信

15、系統(tǒng)是以光波為載體、光導纖維為傳輸媒體的通信方式(fngsh),起主導作用的是光源、光纖、光發(fā)送機和光接收機?？梢赃@樣理解： 光源是光波產(chǎn)生的根源 光纖是傳輸光波的導體 光發(fā)送機的功能是產(chǎn)生光束,將電信號轉變成光信號,再把光信號導入光纖 光接收機的功能負責接收從光纖上傳輸?shù)墓庑盘?并將它轉變成電信號,經(jīng)解碼后再作相應處理 第30頁/共105頁第三十頁，共106頁。單根光纖構造(guzo) 光纖具有圓柱形的形狀，由傳輸(chun sh)光波的玻璃纖芯以及包圍在纖芯外面的反射層組成，形成三部分： 纖芯、包層和護套第31頁/共105頁第三十一頁，共106頁。目前使用(shyng)(shyng)的光源

16、 目前使用的光源有兩種： 發(fā)光二極管LED 半導體激光ILD 按傳輸點模數(shù)分類(fn li)光纖分為 單模光纖和多模光纖 光纖工作原理 第32頁/共105頁第三十二頁，共106頁。光纖的工作(gngzu)原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸(chun sh)的方式是不斷地全反射第33頁/共105頁第三十三頁，共106頁。單模光纖多模光纖與單模光纖多模光纖第34頁/共105頁第三十四頁，共106頁。光纖與電纜線相比(xin b)(xin b)的優(yōu)缺點 光纖傳輸?shù)膬?yōu)點： 傳輸?shù)男问?xngsh)是光，所以光纖不會引起電磁干擾也不會被干擾 光纖傳輸信號的距離比電纜線所能傳輸?shù)木嚯x要遠

17、得多，線路損耗低 與電信號相比，傳輸頻帶寬，通信容量大。光可以對更多的信息進行編碼，所以光纖可在單位時間內傳輸比導線更多的信息 線徑細,重量輕 抗化學腐蝕能力強 光纖制造資源豐富 光纖在應用中的不足之處： 光纖的安裝需要專門設備以保證光纖的端面平整以便光能透過 當一根光纖在護套中斷裂（如被彎成直角），要確定位置是非常困難的 修復斷裂光纖也很困難 第35頁/共105頁第三十五頁，共106頁。無線傳輸(chun sh)介質 電磁波譜 在無線傳輸介質(jizh)（指自由空間）中，電磁波沿自由空間傳播 傳播速度為光速 無線傳輸介質(jizh)也稱為非導向傳輸媒體 無線傳輸介質(jizh)需要 采用電磁

18、波譜的某些可用頻帶 第36頁/共105頁第三十六頁，共106頁。電磁波譜的頻譜 第37頁/共105頁第三十七頁，共106頁。無線電 無線電通信在無線電廣播和電視廣播中已廣泛使用 在低頻段和中頻波段內，無線電波可以輕易的通過障礙物，沿地球表面?zhèn)鞑?但信號能量隨著與信號源距離增大而急劇(jj)衰減，使得傳輸距離收到限制 在高頻、甚高頻波段內，地表電波會被地球吸收 但會被離地表幾百千米高度的帶電粒子層-電離層反射回地面，可以傳播到很遠的距離 第38頁/共105頁第三十八頁，共106頁。微波(wib)(wib)傳輸 微波(microwave)通信通常是指利用在l GHz10 GHz頻率范圍內的電磁波來

19、進行通信 和低頻的無線電波不同的是微波是沿著直線傳播的，而不是向各個方向擴散，而地球表面是彎曲的，其傳播距離受到限制 在相距幾十公里的距離之間需要建設微波接力中繼站，像接力賽跑那樣，一站接一站補充能量 微波通信的優(yōu)點是： 微波接力通信適應的業(yè)務種類多，可以傳輸長途電話、電報、蜂窩移動電話、廣播電視、圖像、文本數(shù)據(jù)等信息 微波傳輸工作在波段lGHz10GHz頻率范圍，其通信信道的容量大 微波傳輸質量高，不容易受工業(yè)干擾和天電(tindin)干擾，這兩者的主要頻譜比微波低的多 與同樣效果的有線通信建設比較，微波通信建設周期快、投資少 微波通信的可靠性高 第39頁/共105頁第三十九頁，共106頁。

20、紅外線 紅外線傳輸通信(tng xn)是利用電磁波頻譜紅外頻段進行通信(tng xn) 頻率范圍1012Hz1014GHz，紅外線傳輸主要用于短距離的通信(tng xn)，通信(tng xn)距離一般在十幾米范圍內 紅外線的發(fā)送與接收裝置硬件相對便宜且容易制造，也不需要天線 紅外通信(tng xn)不宜在室外使用 紅外線傳輸也用于數(shù)據(jù)通信(tng xn)和計算機網(wǎng)絡第40頁/共105頁第四十頁，共106頁。光波(gungb)傳輸 利用光信號通信的歷史可以追溯到遙遠的古代 激光能直接在空中傳輸而無需通過有形的光導體 具有能在很長的距離內保持聚焦(即定向)的特點(tdin) 它和微波通信在直線傳輸

21、上有相似性 激光同樣不能被遮擋 而且對雨雪和霧都比較敏感，這限制了它的應用 第41頁/共105頁第四十一頁，共106頁。衛(wèi)星(wixng)傳輸 衛(wèi)星是指圍繞地球轉動的物體 天體衛(wèi)星和人造衛(wèi)星 1962年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功 開創(chuàng)了天際(tinj)通信的里程碑 通信衛(wèi)星可以看作是一個空間微波中繼器 通信衛(wèi)星上一般1220個異頻雷達接收機，每個都有36MHz50 MHz的帶寬，異頻雷達接收機對相應的波段進行監(jiān)聽 上行波束從地面衛(wèi)星站傳向衛(wèi)星，下行波束從衛(wèi)星傳向地面站，下行波束覆蓋范圍很廣 通信衛(wèi)星與天體衛(wèi)星的區(qū)別在于 返回地面的信號可以在衛(wèi)星上通過放大器放大 衛(wèi)星傳輸采用的波段為微波波段第4

22、2頁/共105頁第四十二頁，共106頁。衛(wèi)星通信(wix(wixng ng tngxtngxn)n)的特點 通信與地面兩個節(jié)點的位置無關,也即傳送(chun sn)一條報文的成本與距離無關 衛(wèi)星的一個重要特性是收發(fā)器向上千個地面站發(fā)送一條報文的時間與向一個地面站發(fā)送該報文所用的時間基本相同 衛(wèi)星傳輸具有很低的出錯率第43頁/共105頁第四十三頁，共106頁。主要(zhyo)的衛(wèi)星頻段 第44頁/共105頁第四十四頁，共106頁。通信衛(wèi)星的高度(god)及類型 第45頁/共105頁第四十五頁，共106頁。信道(xn do)復用技術 3.3.1 頻分復用(f yn)和時分復用(f yn) 3.3.

23、2 波分復用(f yn) 3.3.3 統(tǒng)計復用(f yn)第46頁/共105頁第四十六頁，共106頁。信道(xn do)(xn do)復用技術 復用技術用于在一個信道上同時傳輸多路信號，這樣可以充分利用信道的傳輸能力 復用可以實現(xiàn)的前提是信道的傳輸能力大于傳輸一路(yl)信號的需求，體現(xiàn)在兩個方面： 一是信道的帶寬很寬，而傳輸一路(yl)信號所需的帶寬很窄 另一方面是信道的數(shù)據(jù)傳輸率很高，而一路(yl)信號所需的數(shù)據(jù)傳輸率很低，這樣在能力很強的信道上僅傳輸一路(yl)信號就很浪費 第47頁/共105頁第四十七頁，共106頁。3.3.1 頻分復用(f yn)和時分復用(f yn) 頻分復用(FD

24、M) 是最常用的技術 信道的帶寬很寬，信道的可用帶寬大于一路信號所需的帶寬，把信道劃分為多個(du )子信道，每個子信道傳輸一路信號 在子信道之間要留有隔離頻帶，對每路信號以不同頻率的載波進行調制，使其適應不同子信道頻段的要求，傳輸?shù)侥康牡睾笤倩謴蜑樵夹盘?第48頁/共105頁第四十八頁，共106頁。時分復用TDM 時分復用TDM（Time Division Multiplexing）技術的依據(jù)是信道的數(shù)據(jù)傳輸率大于一路信號傳輸所需要的數(shù)據(jù)傳輸率 可以把傳輸時間(shjin)分成時間(shjin)片幀，每一時間(shjin)片幀包含若干時間(shjin)隙，每個時間(shjin)隙對應一路信

25、號的若干位 第49頁/共105頁第四十九頁，共106頁。時分復用 頻率(pnl) f時間(shjin)t2 342 3 42342 3411111在 TDM 幀中的位置(wi zhi)不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第50頁/共105頁第五十頁，共106頁。時分復用 頻率(pnl)f時間(shjin)t34343411112222 342 在 TDM 幀中的位置(wi zhi)不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第51頁/共105頁第五十一頁，共106頁。時分復用 頻率(pnl)f時間(shjin)t24242411112333343在 TDM 幀中的位

26、置(wi zhi)不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第52頁/共105頁第五十二頁，共106頁。時分復用 頻率(pnl)時間(shjin)2323231111234444D 在 TDM 幀中的位置(wi zhi)不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀第53頁/共105頁第五十三頁，共106頁。FDMA和TDMAFDMA頻率(pnl)時間(shjin)TDMA頻率(pnl)時間用戶C用戶D用戶B用戶A第54頁/共105頁第五十四頁，共106頁。TDM與FDM的比較(bjio) TDM中 每一路信號傳輸占用信道的全部帶寬 在某一微小的時間間隔只有一路信號在傳輸

27、FDM中 每一路信號占用部分帶寬 在某一微小的時間間隔有多路信號在傳輸 在應用中 TDM適合數(shù)字信號的傳輸 FDM適合模擬信號傳輸 許多應用是先進行FDM，然后(rnhu)再進行TDM，即兩種復用技術綜合使用第55頁/共105頁第五十五頁，共106頁。波分復用(f yn) 在光纖信道上采用波分復用WDM 波分復用是光的頻分復用 WDM是FDM的一個變種 頻率和波長之間滿足關系式： F c，這里f 為頻率，c為光速，為波長 每根光纖上光信號的波長不同，兩根光纖連接到一個棱柱或衍射光柵上，兩束光通過棱柱或衍射光柵合成到一根共享的光纖上 傳輸?shù)竭h方(yunfng)的目的地后，再用棱柱或衍射光柵將它們

28、分解開，交給接收方 第56頁/共105頁第五十六頁，共106頁。波分復用(f yn)WDM圖示第57頁/共105頁第五十七頁，共106頁。統(tǒng)計(tngj)復用 統(tǒng)計復用是對時分復用的改進 也稱為統(tǒng)計時分復用STDM（Statistic Time Division Multiplexing） 在時分復用中 各路信號的時隙是固定(gdng)分配好了的 每一路信號與復用的其它各路信號之間的時間間隔是固定(gdng)的 從這個意義上講，各路信號是同步傳輸?shù)牡?8頁/共105頁第五十八頁，共106頁。統(tǒng)計(tngj)復用圖示第59頁/共105頁第五十九頁，共106頁。數(shù)據(jù)編碼技術(jsh) 數(shù)字(shz

29、)數(shù)據(jù)編碼為模擬信號 數(shù)字(shz)數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字(shz)信號 模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字(shz)信號 模擬數(shù)據(jù)編碼為模擬信號第60頁/共105頁第六十頁，共106頁。數(shù)據(jù)編碼技術(jsh) 模擬(mn)數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)都可以轉換為模擬(mn)信號或數(shù)字信號 第61頁/共105頁第六十一頁，共106頁。數(shù)字(shz)數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字(shz)信號 用高電平標識1、低電平標識0的二進制數(shù)據(jù)信號不能直接放在信道上傳輸，這種不歸零制編碼NRZ存在接收方無法在連續(xù)1或連續(xù)0時區(qū)分出每一位的問題。解決問題的方法是在（1/2）T加上同步時鐘(shzhng)信號第62頁/共105頁第六十二頁，共106頁。交換(ji

30、ohun)技術 3.5.1 交換技術的用途(yngt) 3.5.2 電路交換和報文交換 3.5.3 分組交換 3.5.4 交換技術的比較 3.5.5 信元交換第63頁/共105頁第六十三頁，共106頁。交換(jiohun)技術的用途 交換技術在計算機網(wǎng)絡通信過程中是必須要用到的 對于長距離通信傳輸，要用到交換技術 傳統(tǒng)(chuntng)的交換技術有 電路交換 報文交換 分組交換。 現(xiàn)在較多使用的交換技術有信元交換。用在ATM網(wǎng)絡中 第64頁/共105頁第六十四頁，共106頁。電路(dinl)交換和報文交換 電路交換 是面向連接的 通信雙方在通信之前先建立一條連接，然后(rnhu)在建立的連接上

31、傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完后釋放連接 在通信的過程中通信的雙方獨占這一連接。連接建立過程需要一定的時間 若連接經(jīng)過的節(jié)點和線路有空閑的資源則允許連接建立，否則不允許建立連接 電路交換適宜實時通信的應用 生活中的電話通信就是采用電路交換的通信 第65頁/共105頁第六十五頁，共106頁。電路(dinl)交換 A 和 B 通話經(jīng)過四個交換機 A 到 B 的通話先建立(jinl)一條連接，然后在建立(jinl)的連接上進行數(shù)據(jù)傳輸(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA第66頁/共105頁第六十六頁，共106頁。電路(dinl)交換 C 和 D 通話只經(jīng)過一個本地交換機 通話同樣是在建立

32、(jinl)的連接線上C到D上進行(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA第67頁/共105頁第六十七頁，共106頁。報文交換 報文交換與節(jié)點的存儲轉發(fā)聯(lián)系 雙方通信的數(shù)據(jù)組成報文的格式 報文是節(jié)點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 節(jié)點先接收報文，進行存儲 然后根據(jù)線路的情況決定通過線路向其它節(jié)點轉發(fā) 節(jié)點的存儲轉發(fā)需要一定(ydng)的時延 報文交換是無連接的 報文的大小是不固定的 第68頁/共105頁第六十八頁，共106頁。分組交換(jiohun) 分組交換也與存儲轉發(fā)相聯(lián)系 把需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（報文）分成長度固定的分組 節(jié)點對分組進行存儲轉發(fā) 分組的大小比報文小的多 在節(jié)點的時延比較小，即

33、使傳輸出現(xiàn)差錯(chcu)，重傳的數(shù)據(jù)量也比較小 計算機數(shù)據(jù)的傳輸具有突發(fā)性的特點，若采用電路交換來傳輸計算機數(shù)據(jù)，線路的利用率會非常低 只有分組交換適合計算機數(shù)據(jù)的傳輸 分組交換可以分為 面向連接的虛電路分組交換 無連接的數(shù)據(jù)報分組交換 第69頁/共105頁第六十九頁，共106頁。分組的存儲轉發(fā)過程(guchng)H1ABDECH5H6H4H2H3以H1 向 H5 發(fā)送(f sn)分組為例路由器主機(zhj)在路由器 A 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在路由器 E 暫存，查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在路由器 C 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機 H5互聯(lián)網(wǎng)第70頁/共105頁第七十頁，

34、共106頁。交換技術(jsh)的比較 圖中A、B、C、D為節(jié)點，A為源節(jié)點，D為目的節(jié)點，垂直方向為時間。圖中用時間延遲比較三種(sn zhn)交換技術的差異。時間延遲包括連接建立時延、信號的傳播時延、數(shù)據(jù)的傳輸時延，以及節(jié)點的存儲轉發(fā)時延 第71頁/共105頁第七十一頁，共106頁。三種交換(jiohun)的比較 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4MMMA B C D A B C DA B C D報文交換電路(dinl)交換分組交換(jiohun)t連接建立數(shù)據(jù)傳送dataP2P1連接釋放數(shù)據(jù)傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)第72頁/共105頁第七十二頁

35、，共106頁。計算機網(wǎng)絡的性能指標1. 數(shù)據(jù)傳輸速率(sl)比特（bit）是計算機中數(shù)據(jù)量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。數(shù)據(jù)率(data rate)或比特率(bit rate)是計算機網(wǎng)絡中最重要的一個性能指標。速率(sl)的單位是b/s，kb/s, Mb/s, Gb/s速率(sl)往往是指額定速率(sl)或標稱速率(sl)。 第73頁/共105頁第七十三頁，共106頁。2. 帶寬(di kun) “帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位(dnwi)是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位(dnwi)是“比特每

36、秒”，或 b/s (bit/s)。 常用的帶寬單位(dnwi)是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 請注意：在計算機界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240 第74頁/共105頁第七十四頁，共106頁。3. 吞吐量 吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網(wǎng)絡（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。 吞吐量更經(jīng)常地用于對現(xiàn)實世界中的網(wǎng)絡的一種(y zhn)測量，以便知道實際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過網(wǎng)絡。 吞吐量受

37、網(wǎng)絡的帶寬或網(wǎng)絡的額定速率的限制。 第75頁/共105頁第七十五頁，共106頁。4. 時延(delay 或 latency) 傳輸時延（發(fā)送時延 ） 發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊從結點進入(jnr)到傳輸媒體所需要的時間。 也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。 發(fā)送時延 = 數(shù)據(jù)塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒）傳播時延 = 信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）第76頁/共105頁第七十六頁，共106頁。時延(delay 或 latency) 處理時延 交換結點為存儲轉發(fā)而進行(jnxng)一些必要的處理所花費的時間。 排隊時延 結點緩存隊列中分組排隊所

38、經(jīng)歷的時延。 排隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡中當時的通信量。第77頁/共105頁第七十七頁，共106頁。四種時延所產(chǎn)生(chnshng)的地方 1 0 1 1 0 0 1發(fā)送器隊列(duli)在鏈路上產(chǎn)生傳播時延結點(ji din) B結點 A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時延(即發(fā)送時延)在結點 A 中產(chǎn)生處理時延和排隊時延數(shù)據(jù)從結點 A 向結點 B 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路第78頁/共105頁第七十八頁，共106頁。分組延遲(ynch)的四種原因 1. 處理時延: 檢查(jinch)比特級錯誤 確定輸出鏈路 時延在微秒級或更低ABpropagationtransmissionnodeprocessingqueuein

39、g第79頁/共105頁第七十九頁，共106頁。分組交換(jiohun)網(wǎng)絡中的時延3. 發(fā)送(f sn)時延:R=鏈路帶寬 (bps)L=分組長度(bits)分組發(fā)送(f sn)到鏈路所需時間 = L/R s4. 傳播(chunb)時延:d = 物理鏈路的長度s = 媒體中的傳播(chunb)速度 (2x108 m/s)傳播(chunb)時延 = d/s sABpropagationtransmissionnodeprocessingqueueing第80頁/共105頁第八十頁，共106頁。例子(l zi)：收費站時延 汽車 “傳播” 速度100 km/h 收費站服務一輛車要12s (發(fā)送(f

40、 sn)時延) 汽車比特; 車隊分組 Q: 車隊整隊到達第二個收費站要多長時間? 將整個車隊通過收費站“發(fā)送”到高速公路(o s n l)上需時12*10=120 s 最后一輛車從第一個收費站到第二個收費站需時: 100km/(100km/hr)= 1h A: 62 minutes收費站收費站10輛車的車隊 100 km100 km第81頁/共105頁第八十一頁，共106頁。收費站時延 (續(xù)) 現(xiàn)在汽車(qch)的“傳播”速度是 1000 km/hr 現(xiàn)在收費站服務一輛車要1分鐘 問題: 在第一個收費站服務完整個車隊之前是否會有汽車(qch)到達第二個收費站? 是! 7分鐘后第一輛車到達第二個

41、收費站，而還有3輛車在第一個收費站 在第一個路由器傳輸完整個分組之前，分組的第一比特(b t)可能已到達第二個路由器!收費站收費站10輛車的車隊(ch du) 100 km100 km第82頁/共105頁第八十二頁，共106頁。節(jié)點(ji din)時延 dproc = 處理時延 通常是幾微秒或更小 dqueue = 排隊時延 取決于擁塞(yngs)程度nodalprocqueuetranspropdddddABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueingdnodal第83頁/共105頁第八十三頁，共106頁。端到端時延 節(jié)點時延是分組在節(jié)點中所經(jīng)

42、歷的時延 端到端時延是從源到目的之間的時延 假如 在源到目的之間有N-1個路由器 網(wǎng)絡是無擁塞的，也就是說，排隊時延是可以忽略(hl)的 路由器和源主機的處理時延是 dproc 鏈路速率是 R bps 傳播時延是 dprop 分組長度是 L bits 則：端到端時延 dend-end= N (dproc+dtrans+dprop) 第84頁/共105頁第八十四頁，共106頁。分組丟失(dis) 在一條(y tio)鏈路前的隊列只有有限的容量 分組到達一個滿的隊列時，分組將會被丟棄 被丟棄的分組重傳： 被前一個節(jié)點重新傳輸（鏈路層重傳-無線鏈路） 被源端系統(tǒng)重新傳輸（運輸層重傳-tcp） 不會再

43、被重新傳輸?shù)?5頁/共105頁第八十五頁，共106頁。5. 時延帶寬(di kun)積（傳播(chunb)）時延鏈路帶寬(di kun)時延帶寬積 = 傳播時延 帶寬 鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。 時延帶寬積10101001010010001010100101010010100時延帶寬積 = (鏈路長度/信號傳播速度) 帶寬第86頁/共105頁第八十六頁，共106頁。6. 利用率 信道利用(lyng)率指出某信道有百分之幾的時間是被利用(lyng)的（有數(shù)據(jù)通過）。完全空閑的信道的利用(lyng)率是零。 網(wǎng)絡利用(lyng)率則是全網(wǎng)絡的信道利用(lyng)率的加權平均值。

44、 信道利用(lyng)率并非越高越好。 第87頁/共105頁第八十七頁，共106頁。時延與網(wǎng)絡(wnglu)利用率的關系 根據(jù)排隊論的理論，當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加(zngji)。 若令 D0 表示網(wǎng)絡空閑時的時延，D 表示網(wǎng)絡當前的時延，則在適當?shù)募俣l件下，可以用下面的簡單公式表示 D 和 D0之間的關系： 01DDUU 是網(wǎng)絡(wnglu)的利用率，數(shù)值在 0 到 1 之間。 第88頁/共105頁第八十八頁，共106頁。時延 D利用率 U10D0時延急劇(jj)增大第89頁/共105頁第八十九頁，共106頁。信元交換(jiohun) 信元交換用在ATM網(wǎng)絡中。

45、信元長度是固定(gdng)的。 信元可以看作一個很小的快速分組，長度為53個字節(jié)，其中信頭占5個字節(jié)，數(shù)據(jù)部分占48字節(jié) 由于信元比較小，在交換節(jié)點的時延很小 多種媒體信息都劃分或裝配為信元，使一個網(wǎng)絡中傳輸多媒體信息成為可能 第90頁/共105頁第九十頁，共106頁。3. 6差錯控制技術(jsh) 3.6.1 差錯(chcu)產(chǎn)生的原因 3.6.2 差錯(chcu)控制方法 3.6.4 循環(huán)冗余校驗編碼第91頁/共105頁第九十一頁，共106頁。3.6.1 差錯(chcu)產(chǎn)生的原因 出現(xiàn)差錯是不可避免的 信號在信道上傳輸會受到噪聲的干擾，出現(xiàn)差錯，差錯是不可避免的 噪聲分為內部噪聲和外部噪

46、聲 用誤碼率衡量(hng ling)一個信道的質量 通常用10的負若干次方描述信道的誤碼率P： P發(fā)生錯誤的碼元數(shù)接收的碼元總數(shù)一般在有線傳輸介質信道，誤碼率為10的負5次方 就是說傳輸10 000位有1位錯 第92頁/共105頁第九十二頁，共106頁。3.6.2 差錯控制方法(fngf) 數(shù)據(jù)(shj)通信和計算機網(wǎng)絡中的差錯控制方法采用編碼的方法，分為 檢錯編碼和糾錯編碼 按照差錯控制規(guī)則計算出校驗碼，校驗碼和發(fā)送的數(shù)據(jù)(shj)編碼組成校驗序列（也稱為碼字）一起發(fā)送 在接收端根據(jù)同樣的差錯控制規(guī)則判斷傳輸是否正確 校驗碼并不是真正要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(shj)信息，是為了檢測出差錯所必須的冗余信

47、息 差錯控制方法分為 前向糾錯FEC 自動請求重發(fā)ARQ 第93頁/共105頁第九十三頁，共106頁。差錯檢測(jin c)過程 第94頁/共105頁第九十四頁，共106頁。循環(huán)冗余校驗(xio yn)編碼 循環(huán)冗余校驗編碼CRC（Cyclic Redundancy Code） 用于ARQ差錯校驗方法 是在數(shù)據(jù)通信和計算機網(wǎng)絡中用的最多的差錯控制方法 CRC編碼又稱為多項式編碼 可以(ky)把任何一個由二進制數(shù)位串組成的代碼與一個只含有0和1兩個系數(shù)的多項式建立一一對應的關系 在實現(xiàn)CRC運算時 k位要發(fā)送的信息位對應一個(k-1)次多項式K(x)，r位冗余位對應一個(r-1)次多項式R(x)，由k位信息位后面加上r位冗余位組成的n=k+r位碼字對應一個（n-1）次多項式：T(x)=x rK(x)+ R(x)第95頁/共