第2章 數(shù)據(jù)通信基礎

第2章數(shù)據(jù)通信基礎一、數(shù)據(jù)通信的基礎知識 1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 1.2有關信道的幾個基本概念 1.3信道的最高碼元傳輸速率 1.4信道的極限信息傳輸速率二、通信線路 2.1導向傳輸媒體 2.2非導向傳輸媒體三、模擬傳輸與數(shù)字傳輸 3.1模擬傳輸系統(tǒng) 3.2調(diào)制解調(diào)器 3.3數(shù)字傳輸系統(tǒng)四、信道復用技術 4.1頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 4.2波分復用 4.3碼分復用五、同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH六、信息交換技術 6.1線路交換 6.2報文交換 6.3分組交換 6.4三種數(shù)據(jù)交換技術的比較 6.5其他數(shù)據(jù)交換技術七、數(shù)據(jù)傳輸八、差錯控制與校驗 8.1基本概念 8.2常用的差錯控制編碼本章前測試題第一題

利用電話線拔號上網(wǎng)時使用的Modem的主要作用是什么?第二題

試列舉出你知道的通信傳輸介質(zhì)？第三題

試分析為什么IP電話比普通電話便宜。第四題靜態(tài)網(wǎng)頁和動態(tài)網(wǎng)頁的區(qū)別？一、數(shù)據(jù)通信的基礎知識

1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機幾個術語數(shù)據(jù)(data)——運送信息的實體。信號(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。“模擬的”(analogous)——連續(xù)變化的?！皵?shù)字的”(digital)——取值是離散數(shù)值。調(diào)制——把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。解調(diào)——把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號模擬數(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1.2有關信道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)。發(fā)送端接收端報文信息監(jiān)測信號收發(fā)裝置收發(fā)裝置報文信息雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息?；鶐?baseband)信號就是將數(shù)字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。寬帶(broadband)信號則是將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復用模擬信號。收發(fā)裝置收發(fā)裝置報文信息報文信息1.3信道的最高碼元傳輸速率任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。數(shù)字信號通過實際的信道失真不嚴重失真嚴重實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)奈氏(Nyquist)準則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2

個碼元。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。

理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)另一種形式的奈氏準則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

1

個碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率=WBaudW是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)不能通過要強調(diào)以下兩點實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位。

要注意信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關系。若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M

nb/s。1.4信道的極限信息傳輸速率香農(nóng)(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=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

香農(nóng)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(xiàn)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(nóng)的極限傳輸速率低不少。奈氏準則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制二、通信線路無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波調(diào)幅無線電調(diào)頻無線電海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜2.1導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光導纖維各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜無屏蔽雙絞線

UTP電纜下表是UTP電纜的常見類型，10BaseT局域網(wǎng)中主要使用3類和5類線，它們的有效傳輸距離一般在100m左右。另外還有超5類雙絞線電纜，通過對其“信道”性能測試結果表明，與普通5類雙絞線電纜比較，它的近端串擾、衰減和結構回波等主要性能指標都有很大提高。雙絞線的制作分為工作站至工作站和工作站至集線器兩種：工作站至集線器的雙絞線，其8芯線一一對應；工作站至工作站的雙絞線，按照圖2-1所示的連線制作。圖2-1雙絞電纜返回本節(jié)同軸電纜典型的同軸電纜（CoaxialCable）由一根內(nèi)導體銅質(zhì)芯線外加絕緣層、密集網(wǎng)狀編織導電金屬屏蔽層以及外包裝保護塑橡材料組成，其結構如圖2-2所示。圖2-2同軸電纜表2-4是在網(wǎng)絡工程施工中常常用到的一些IEEE802.310BaseT系列網(wǎng)絡拓撲經(jīng)驗，僅供讀者參考。返回本節(jié)光線在光纖中的折射折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖多模光纖和5類雙絞線的衰減與頻率關系如圖2-3所示，當傳輸頻率超過100MHz時，5類雙絞線隨著頻率的增加衰減愈來愈大；而光纖在300MHz以內(nèi)，衰減基本不變。

圖2-3光纖與電纜頻率與衰減關系光纜的結構大致可分為纜芯（CableCore）和保護層（Sheath）兩大部分，四芯光纜剖面示意圖如2-4所示。圖2-4四芯光纜剖面示意圖返回本節(jié)2.2非導向傳輸媒體2.2.1無線電短波通信。2.2.2地面微波接力通信。2.2.3紅外線和激光。2.2.4衛(wèi)星通信

2.2.5VSAT衛(wèi)星通信2.2.1無線電短波通信在一些電纜光纖難于通過或施工困難的場合，例如，高山、湖泊或島嶼等，即使在城市中挖開馬路敷設電纜有時也很不劃算，特別是通信距離很遠，對通信安全性要求不高，敷設電纜或光纖既昂貴又費時，若利用無線電波等無線傳輸介質(zhì)在自由空間傳播，就會有較大的機動靈活性，可以輕松實現(xiàn)多種通信，抗自然災害能力和可靠性也較高。返回本節(jié)2.2.2地面微波接力通信無線電數(shù)字微波通信系統(tǒng)在長途大容量的數(shù)據(jù)通信中占有及其重要的地位，其頻率范圍為300MHz～300GHz。微波通信主要有兩種方式：地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。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，它不像短波那樣經(jīng)電離層反射傳播到地面上其他很遠的地方，由于地球表面是個曲面，因此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”，如果中繼站采用100m高的天線塔，則接力距離可增大到100km。返回本節(jié)2.2.3紅外線和激光

紅外線通信和激光通信就是把要傳輸?shù)男盘柗謩e轉(zhuǎn)換成紅外光信號和激光信號直接在自由空間沿直線進行傳播，它比微波通信具有更強的方向性，難以竊聽、插入數(shù)據(jù)和進行干擾，但紅外線和激光對雨霧等環(huán)境干擾特別敏感。

返回本節(jié)2.2.4衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信就是利用位于3萬6千公里高空的人造地球同步衛(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)星通信可以克服地面微波通信的距離限制，其最大特點就是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。

衛(wèi)星通信的優(yōu)點是:衛(wèi)星通信的頻帶比微波接力通信更寬，通信容量更大，信號所受到的干擾也較小，誤碼率也較小，通信比較穩(wěn)定可靠。

衛(wèi)星通信的缺點是：傳播時延較長。

返回本節(jié)2.2.5VSAT衛(wèi)星通信

VSAT（VerySmallApertureTerminal，甚小口徑地球終端）是20世紀80年代末發(fā)展起來并于90年代得到廣泛應用的新一代數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。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具有很多優(yōu)點，如：設備簡單、體積小、耗電少、組網(wǎng)靈活、安裝維護簡便、通信效率高等，尤其適用于大量分散的業(yè)務量較小的用戶共享主站，所以許多部門和企業(yè)多使用VSAT網(wǎng)來建設內(nèi)部專用網(wǎng)。圖2-5VSAT網(wǎng)絡組成返回本節(jié)三、模擬傳輸與數(shù)字傳輸

3.1模擬傳輸系統(tǒng)

長途干線最初采用頻分復用FDM的傳輸方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)目前我國長途通信線路已實現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機到市話交換機之間的這一段幾公里長的用戶線上。3.2調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會出現(xiàn)差錯。出現(xiàn)差錯010010100還原后的數(shù)據(jù)t接收到的失真信號010011100t發(fā)送的基帶信號t采樣時刻調(diào)制解調(diào)器的作用調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：調(diào)制器(MOdulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300~3400Hz之間的模擬信號，以便在電話用戶線上傳送。解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，它把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?。解調(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復成原來的數(shù)字信號。若識別不正確，則產(chǎn)生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯檢測和糾正的設施幾種最基本的調(diào)制方法調(diào)制就是進行波形變換（頻譜變換）。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。

對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相一種正交調(diào)制QAMQAM(QuadratureAmplitudeModulation)數(shù)字調(diào)制器。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4bit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4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。調(diào)制解調(diào)器的速率目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了。要提高信息傳輸速率，只能設法提高信噪比。在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。產(chǎn)生量化噪聲的地方

（經(jīng)過A/D變化的地方）

A2/4A/DA/DD/AD/A數(shù)字信號數(shù)字信號交換機1交換機2V.3433.6kb/s調(diào)制解調(diào)器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲使用V.34調(diào)制解調(diào)器（33.6kb/s）

產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲用戶環(huán)路模擬信號用戶環(huán)路模擬信號產(chǎn)生量化噪聲的地方（續(xù)）

（經(jīng)過A/D變化的地方）

使用V.90調(diào)制解調(diào)器（56kb/s）

A2/4A/DA/D交換機因特網(wǎng)服務提供者V.9056kb/s調(diào)制解調(diào)器D/AV.9056kb/s調(diào)制解調(diào)器數(shù)字信號數(shù)字信號至因特網(wǎng)（數(shù)字信號）用戶環(huán)路模擬信號僅在此處產(chǎn)生量化噪聲僅在此處產(chǎn)生量化噪聲調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類：同步通信要求接收端時鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。

異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)同步字符接收端發(fā)送端校驗位同步字符接收端發(fā)送端停止位數(shù)據(jù)位起始位3.3數(shù)字傳輸系統(tǒng)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)體制。

采樣周期Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原時分復用為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的PCM信號用時分復用TDM(TimeDivisionMultiplexing)的方法裝成時分復用幀，然后發(fā)送到線路上。中國采用歐洲體制，以E1為一次群。美國和日本等國采用北美體制，以T1為一次群。E1的時分復用幀2.048Mb/s傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………時分復用幀TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt時分復用幀時分復用幀T=125ms15個話路15個話路四、信道復用技術多路復用技術的基本原理是：各路信號在進入同一個有線的或無線的傳輸媒質(zhì)之前，先采用調(diào)制技術把它們調(diào)制為互相不會混淆的已調(diào)制信號，然后進入傳輸媒質(zhì)傳送到對方，在對方再用解調(diào)（反調(diào)制）技術對這些信號加以區(qū)分，并使它們恢復成原來的信號，從而達到多路復用的目的。4.1頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用頻分復用(FDM-----FrequenlyDivisionMultiplexing)：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復用(TDM-----time-divisionmultiplexing)：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。頻分復用頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀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用戶同步時分多路復用技術:

STDM，SynchronizationTime-DivisionMultiplexing）這種技術按照信號的路數(shù)劃分時間片，每一路信號具有相同大小的時間片。時間片輪流分配給每路信號，該路信號在時間片使用完畢以后要停止通信，并把物理信道讓給下一路信號使用。當其他各路信號把分配到的時間片都使用完以后，該路信號再次取得時間片進行數(shù)據(jù)傳輸。這種方法叫做同步時分多路復用技術。

異步時分多路復用技術:

（ATDM，AsynchronismTime-DivisionMultiplexing）異步時分多路復用技術，也叫做統(tǒng)計時分多路復用技術（STDM，StatisticTime-DivisionMultiplexing）。指的是將用戶的數(shù)據(jù)劃分為一個個數(shù)據(jù)單元，不同用戶的數(shù)據(jù)單元仍按照時分的方式來共享信道；但是不再使用物理特性來標識不同用戶，而是使用數(shù)據(jù)單元中的若干比特，也就是使用邏輯的方式來標識用戶。

統(tǒng)計時分復用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm4.2波分復用WDM在同一根光纖中同時讓兩個或兩個以上的光波長信號通過不同光信道各自傳輸信息,稱為光波分復用技術。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km4.3碼分復用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個惟一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-4)碼片序列的正交關系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。正交關系的另一個重要特性CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端六、信息交換技術

回顧一下電路交換的特點

兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

更多的電話機互相連通5部電話機兩兩相連，需10對電線。N部電話機兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當電話機的數(shù)量很大時，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機數(shù)的平方成正比。

使用交換機當電話機的數(shù)量增多時，就要使用交換機來完成全網(wǎng)的交換任務?！?/p>

交換機“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義是：轉(zhuǎn)接——把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。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。

6.1線路交換使用線路（電路）交換（CircuitSwitching）方式，就是通過網(wǎng)絡中的節(jié)點在兩個站之間建立一條專用的通信線路。最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)。線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)：（1）線路建立（2）數(shù)據(jù)傳送（3）線路拆除返回本節(jié)AB142356線路交換的過程線路交換舉例A和B通話經(jīng)過四個交換機通話在A到B的連接上進行((((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線路交換舉例C和D通話只經(jīng)過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行((((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電路交換傳送計算機數(shù)據(jù)效率低計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。這導致通信線路的利用率很低。6.2報文交換

報文交換比線路交換有以下優(yōu)點：（1）線路效率較高，因為許多報文可以分時共享一條節(jié)點到節(jié)點的通道。（2）不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文。（3）在線路交換網(wǎng)上，當通信量變得很大時，就不能接受某些呼叫。（4）報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地。（5）根據(jù)報文的長短或其他特征能夠建立報文的優(yōu)先權，使得一些短的、重要的報文優(yōu)先傳遞。（6）報文交換網(wǎng)可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。

返回本節(jié)AB142356報文交換的過程6.3分組交換

分組交換（PacketSwitching）試圖兼有報文交換和線路交換的優(yōu)點，而使兩者的缺點最少。分組交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度。如何管理這些分組流呢?目前有兩種方法：數(shù)據(jù)報和虛電路。在數(shù)據(jù)報中，每個數(shù)據(jù)包被獨立地處理，就像在報文交換中每個報文被獨立地處理那樣，每個節(jié)點根據(jù)一個路由選擇算法，為每個數(shù)據(jù)包選擇一條路徑，使它們的目的地相同。

AB142356報文分組交換的過程在虛電路中，數(shù)據(jù)在傳送以前，發(fā)送和接收雙方在網(wǎng)絡中建立起一條邏輯上的連接，但它并不是像電路交換中那樣有一條專用的物理通路，該路徑上各個節(jié)點都有緩沖裝置，服從于這條邏輯線路的安排，也就是按照邏輯連接的方向和接收的次序進行輸出排隊和轉(zhuǎn)發(fā)，這樣每個節(jié)點就不需要為每個數(shù)據(jù)包作路徑選擇判斷，就好像收發(fā)雙方有一條專用信道一樣。

返回本節(jié)報文分組交換的原理（一）在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)報文分組交換的原理（二）每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”分組交換的原理（三）分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結點交換機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結點交換機。用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。分組交換的原理（四）接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3收到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分組交換的原理（五）最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010分組交換網(wǎng)的示意圖H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1向H5發(fā)送分組H2向H6發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結點交換機主機注意分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組結點交換機主機在結點交換機

A

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結點交換機

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結點交換機

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達目的主機

H5注意結點交換機有多個端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路結點交換機123412341

2

3

412

3

41

2

3

4結點交換機在結點交換機中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。結點交換機處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。

主機和結點交換機的作用不同主機是為用戶進行信息處理的，并向網(wǎng)絡發(fā)送分組，從網(wǎng)絡接收分組。結點交換機對分組進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付給目的主機。分組交換的優(yōu)點高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。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?？煽客晟频木W(wǎng)絡協(xié)議；自適應的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡有很好的生存性。分組交換帶來的問題分組在各結點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理

并非完全新的概念在20世紀40年代，電報通信也采用了基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的報文交換(messageswitching)。報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等?，F(xiàn)在報文交換已經(jīng)很少有人使用了。6.4三種數(shù)據(jù)交換技術的比較

三種數(shù)據(jù)交換技術總結如下：（1）線路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有。（2）報文交換：報文從發(fā)送方傳送到接收方采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式。

（3）分組交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長度，到達目的地后需重新將分組組裝成報文。

圖三種交換方式的比較返回本節(jié)6.5其他數(shù)據(jù)交換技術

（1）利用數(shù)字語音插空技術（DSI，DigitalSpeechInterpolation）能提高線路交換的傳輸能力。（2）幀中繼（FrameRelay）是對目前廣泛使用的X.25分組交換通信協(xié)議的簡化和改進。（3）異步傳輸模式（ATM，AsynchronousTransferMode）是線路交換與分組交換技術的結合，能最大限度地發(fā)揮線路交換與分組交換技術的優(yōu)點，具有從實時的語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。返回本節(jié)七、數(shù)據(jù)傳輸

1．基帶方式對于碼型的選擇，通常要考慮以下的因素：對于傳輸頻帶低端受限的信道，線路傳輸碼型的頻譜中不應含有直流分量；

信號的抗噪聲干擾能力強，產(chǎn)生誤碼時，在譯碼中產(chǎn)生的誤碼擴散或誤碼增值??；便于從信號中提取位同步定時信息；盡量減少基帶信號頻譜中高頻分量，以節(jié)省傳輸頻帶，并減小串擾；編譯碼的設備應盡量簡單?？朔粴w零制編碼缺點的一種編碼方案是曼徹斯特（Manchester）編碼（見圖7-1（b）），它是一種自同步編碼方式，包括數(shù)據(jù)信息和時鐘信息。

另一種曼徹斯特編碼的變種叫做差分曼徹斯特編碼（見圖7-1（c）），它的編碼規(guī)則是：若碼元為1，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反。不論碼元是１或０，在每個碼元的正中間時刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術，但可以獲得較好的抗干擾性能。圖7-1常用數(shù)字信號編碼2．4B/5B編碼在光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI，F(xiàn)iberDistributedDataInterface）中采用了獨特的4B/5B編碼。這種編碼的特點是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每４bit作為一個組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應5bit碼。5bit碼共有32種組合，但只采用其中的24種，16種對應4bit碼的16種，8種用作控制碼，以表示幀的開始和結束、光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。標準4B/5B編碼對照表見表2-1，用于100MbpsFDD1PMD的4B/5B編碼控制碼表見表2-2?，F(xiàn)用不歸零編碼畫出4bit碼和5bit碼的對應波形，5bit碼經(jīng)差分編碼后，轉(zhuǎn)換成光信號，如圖7-2所示。

圖7-24B/5B編碼方式返回本節(jié)3.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼

通過調(diào)制振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的某種組合，來對數(shù)字數(shù)據(jù)進行編碼。最基本的數(shù)字數(shù)據(jù)→模擬信號調(diào)制方式有以下三種（如圖7-3所示）。（1）幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）（2）頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-ShiftKeying）（3）相移鍵控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）圖7-3對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法返回本節(jié)4.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodeModulation）是波形編碼中最重要的一種方式，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信等均獲得了極為廣泛的應用，現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)大多采用PCM體制。PCM最初并不是用來傳送計算機數(shù)據(jù)的，采用它是為了解決電話局之間中繼線不夠，使一條中繼線不只傳送一路而是可以傳送幾十路電話。PCM過程主要由采樣、量化與編碼三個步驟組成。

返回本節(jié)8.1基本概念

差錯控制編碼就是對網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)字信號進行抗干擾編碼，目的是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗碼元，接收端利用該規(guī)則進行相應的譯碼，譯碼的結果有可能發(fā)現(xiàn)差錯或糾正差錯。

在差錯控制碼中，檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差錯的編碼，糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能夠自動糾正差錯的編碼。當然，檢錯和糾錯能力是用信息量的冗余和降低系統(tǒng)的效率為代價來換取的。返回本節(jié)八、差錯控制與校驗8.2常用的差錯控制編碼

1．奇偶校驗碼奇偶校驗碼是一種最簡單也是最基本的檢錯碼，一維奇偶校驗碼的編碼規(guī)則是把信息碼元先分組，在每組最后加一位校驗碼元，使該碼中1的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)時稱為奇校驗碼，偶數(shù)時稱為偶校驗碼。2．循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼（CRC，CyclicRedundancyCode）校驗（Check）是目前在計算機網(wǎng)絡通信及存儲器中應用最廣泛的一種校驗編碼方法，它所約定的校驗規(guī)則是：讓校驗碼能為某一約定代碼所除盡；如果除得盡，表明代碼正確；如果除不盡，余數(shù)將指明出錯位所在位置。表8.1水平奇偶校驗位碼字偶校驗位12345678910110011100011201101010101311011000011400111000100511101111010表8.2垂直奇偶校驗位碼字123456789101100111000120110101010311011000014001110001051110111101偶校驗位1111100101表8.3水平垂直奇偶校驗位碼字偶校驗位12345678910110011100011201101010101311011000011400111000100511101111010偶校驗位11111001011循環(huán)冗余檢驗的原理在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗CRC的檢錯技術。假設待傳送的數(shù)據(jù)M=1010001101（共kbit）。我們在M的后面再添加供差錯檢測用的nbit冗余碼一起發(fā)送。冗余碼的計算用二進制的模

2

運算進行2n乘M的運算，這相當于在M后面添加n個0。得到的(k+n)bit的數(shù)除以事先選定好的長度為(n+1)bit的數(shù)P，得出商是Q而余數(shù)是R，余數(shù)R比除數(shù)P至少要少1個比特。冗余碼的計算舉例設n=5,P=110101，模2運算的結果是：商Q=110101