数据通信技术基础.ppt

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1、第2章 数据通信技术基础,2.1 数据通信的基本概念 2.2 数据通信的主要技术指标 2.3 模拟传输 2.4 数字传输 2.5 多路复用技术 2.6 数据交换方式 2.7 差错控制,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1 数据、信息和信号 2.1.2 通信系统模型 2.1.3 数据传输方式 2.1.4 基带传输、频带传输和宽带传输 2.1.5 数据通信方式,2.1.1 数据、信息和信号,1. 数据 数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。它是信息的载体，可以是数字、文字、语言、图形和图像等。 2. 信息 信息是数据的集合、含义与解释。 数据与信息的比较：数据相对具体，信息相对抽象概括；两者

2、相对存在，有时可以将二者等同起来。 3. 信号 信号是数据的物理表示形式，即数据的电气的或电磁的表现。在数据通信系统中，传输媒体以适当形式传输的数据都是信号。 无论是数据还是信号，都可以分为模拟的与数字 两种。模拟信号是随时间连续变化的信号；数字信号是离散信号。如图2.1所示。,2.1.1 数据、信息和信号,模拟数据与数字数据,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数字信号，因此有以下四种情况： （1）模拟数据、模拟信号：最早的电话系统即如此； （2）模拟数据、数字信号：将模拟数据转换成数字形式后，就可以利用先进的数字传输和交换设备； （3）数字数据、模拟信号：有些传输媒体只适合传

3、输模拟信号，因此必须把数字数据经调制变换为模拟信号才能传输，这个过程叫做调制（传输后再把模拟信号转换为数字信号进入接收端的计算机的过程，叫做解调）； （4）数字数据、数字信号：把数字数据编码成数字信号的设备比从数字到模拟的调制设备更简单、更廉价。,2.1.2 通信系统模型,通信：是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。用来实现通信过程的系统称为通信系统。 通信系统的基本要素：信源、传输媒体和信宿。,数据通信系统的模型,2.1.2 通信系统模型,源点是产生和发送信息的一端，终点是接受信息的一端。发送器源点发出的信息要经过发送器编码后才可以在传输信道中传输。接收器接收传输系统传送过来的信号，并把

4、它转化为能够被目的设备处理的信息。在实际的通信系统中有各种具体的名称，如源点发出的是数字信号而要以模拟信号传输，则用调制解调器；源点发出的是模拟信号而要以数字信号传输，则用编码解码器。 噪声是通信系统中存在的并叠加在有用信号之上的无用成分，它对系统中的信号传输与处理起扰乱作用，又不能完全控制。噪声可以从系统的各部分侵入，按其来源可分为通信系统外部噪声和系统内部噪声。 无论是模拟信号还是数字信号，在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式，在模拟信道中传输的是模拟信号，在数字信道中传输的是数字信号。,2.1.3 数据传输方式,1. 模拟传输 模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时

5、，可以直接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。 如图2.3所示，（a）为当信源为模拟数据时的模拟传输，（b）为当信源为数字数据时的模拟传输。 其主要优点在于信道的利用率较高，但是其在传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放大时噪声也会放大。,2.1.3 数据传输方式,图2.3 模拟传输 （a） 信源为模拟数据 （b） 信源为数字数据,2.1.3 数据传输方式,2. 数字传输 数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。 如图2.4所示，（a）

6、为当信源为数字数据时的数字传输，（b）为当信源为模拟数据时的数字传输。 其主要优点是信号传输不失真，误码率低，能被复用和有效地利用设备，但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字传输的信道利用率较低。,2.1.3 数据传输方式,图2.4 数字传输 （a）信源为数字数据 （b）信源为模拟数据,1、基带传输 数字设备中，二进制数字序列最方便的电信号形式为方波，即“1”或“0”分别用高(或低)电平或低(或高)电平表示。 未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流和低频开始,因而称为基带信号。所谓基带指的是基本频带，也就是数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为基带信

7、号。 所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输，它将占用线路的全部带宽，也可称为数字基带传输。,2.1.4 基带传输、频带传输和宽带传输,2、频带传输 传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围(300Hz-3400Hz)的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用电话交换网来传输计算机之间的数字信号,就必须将数字信号转换成模拟信号。 为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其进行传送；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的数字信号波形。这种利用模拟信道实现数

8、字信号传输的方法称为“频带传输”。,* 宽带传输 在宽带局域网中采用了宽带传输，它是以电视电缆(CATV)技术为基础，采用频率调制等把带宽为400 MHz的电视电缆分割成多个子频带，这些子频带可用于模拟或数字信号的单向或双向传送。每个子频带都有各自的调制解调装置。因此，宽带传输就是在单根电缆(有时用双根电缆，一根用于发送，另一根用于接收)上采用多路调制解调过程的传输。 频带传输，较基带传输最突出的优点是传输距离长。它的载波频率虽然很高，但信道传输的速率却是有限的。在宽带传输时，它不但能传输数据信息，而且也能传输语音、图形和图像信息。,2.1.5 数据通信方式,并行传输和串行传输 单工、半双工与

9、全双工通信 异步传输和同步传输,1. 并行传输和串行传输 (1)并行数据传输：是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。也就是说同时传送一个编了码的字符。如ASCII码是用八位表示一个字符，所以传输ASCII码的并行传输过程如下：,(2)串行数据传输：串行数据传输是在传输中只有一个数据位在设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制数表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字符进行传输。传输ASCII码的串行传输过程如下：,(3)并行传输和串行传输比较 并行传输使两个进行通信的设备直接相连，传输速度非常高，但这种连接方法的费用非常高，在进行通信的设备之间相距比较近的情况下是可

10、以的，但是如果进行通信的设备之间相距比较远，则这种通信的高费用无法容忍。所以一般的时候并行传输常用于计算机系统的内部及计算机和各种外部设备的连接。 串行传输的速度比并行传输要慢的多，但费用也低的多。计算机网络中各结点间的传输均采用串行传输方式。,2、单工、半双工和全双工通信,根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。 （1）单工(Simplex)方式（单向通信）：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。,单工通信中为了保证通信质量需要进行差错控制。采用的具体方法是：在接收端确认信息正确或错误后通过反向信道发送检测信

11、号，也就是说，单工通信存在两个信道：主信道和检测信道。,（2）半双工(Half Duplex)方式（双方交替通信）：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。,半双工通信,在半双工通信中，信息流是轮流使用发送和接收装置的，传输检测信号可有两种方式，一种方式是在应答时转换传输信道，另一种方式是把主信道和检测信道分开设立，另设一个信道，供检测信号使用。,（3） 全双工(Full Duplex)方式（双向同时通信）：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。,全双工通信的线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进

12、行检测的信道，这样通信两端就可以同时发送和接收信息。在计算机网络中主要采用双工方式，其中：局域网采用半双工方式，城域网和广域网采用全双工方式。,3. 异步传输和同步传输,同步(Synchronous)问题的重要性 当以数据帧传输数据信号时，为了保证传输信号的完整性和准确性，除了要求接收器应能识别每个字符(或数据帧)对应信号的起止，以保证在正确的时刻开始和结束读取信号，也即保持传输信号的完整性外；还要求使其时钟与发送器保持相同的频率，以保证单位时间读取的信号单元数相同，也即保证传输信号的准确性。 因此当以数据帧传输数据信号时，要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施：在每帧数据对应信号的前面和

13、后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号；在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号，以控制接收器的时钟同步。 异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：一般采用字符同步或帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。,异步传输(Asynchronous Transmission)以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟(频率相差不能太多)，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器

14、必须随时都处于准备接收数据的状态。,同步传输(Synchronous Transmission)以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号(后者的传输效率和可靠性高)，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。 在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输（称之为外同步）；计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号植入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步(称之为自同步)。,2.2.1 数据的代码、编码和码元 代码：是利用数字的一种组合来表示某一种基本数据的单元。在通信系统通信和计算机数据处理中，数据用代码表示。例如：由7位二进制组成的ASCII码，字母

15、“B”的编码为1000010。编码1000010就是字母“B”的代码。 编码：用代码表示的基本数据单元被称为“码字”，形成代码的过程被称做“编码”。 码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度,码元就是一个数字脉冲。,2.2 数据通信的主要技术指标,带宽本来指某个信号具有的频带宽度，信号是由特定的电磁波来传输的，而电磁波都有一定的频率范围。信号的带宽是指信号含有的频带宽度，在实际应用中指信号能量比较集中的频率范围。在过去很长一段时间，通信的主干线路都传输模拟信号，因此表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路

16、的带宽，它的值为可传送信号的最高频率和最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。 当通信线路用来传输数字信号时，数据传输速率（b/s或bps）就应当成为数字信道最重要的指标，但习惯上，人们将“带宽”作为数字信道所能传送的最高数据率的同义语，尽管这种叫法并不太严格。 带宽作为目前计算机网络通信的一个重要指标，主要采用信道每秒钟可以传送二进制的“位”多少来表示，单位为位/秒，简记为b/s。,2.2.2 带宽,比特（bit）：计算机中的数据的最小单元，也是信息量的度量单位。 来源于binary digit，意为一个“二进制数字” 。 网络的带宽的单位就是“比特每秒”，记为b/s(或bit/s)，而更常用的带

17、宽单位是千比每秒（kb/s）、兆比每秒（Mb/s）、吉比每秒（Gb/s）或太比每秒（Tb/s）。,注意：在通信领域和计算机领域，对数量单位“千”、“兆”和“吉”等的英文缩写在有些情况下表示的数量略有不同。 在计算机中的数据量往往用字节作为度量的单位。一个字节（byte)代表8个比特，它的缩写是。“千字节”的“千”用来表示，210，即1024，而非1000。同样，在计算机中，1MB或1GB也并非表示106或109个字节，而是表示220（1048576）或230（1073741824）个字节。 在通信领域，小写的k表示103，即准确的1000而不是1024。 M:mega G:giga T:ter

18、a,计算机中的数据存储单位,1 kB = 1024 B (kB - kilobyte) 千 1 MB = 1024 kB (MB - megabyte) 兆 1 GB = 1024 MB (GB - gigabyte) 吉 1 TB = 1024 GB (TB - terabyte) 太 1 PB = 1024 TB (PB - petabyte) 拍 1 EB = 1024 PB (EB - eksabyte) 艾 1 ZB = 1024 EB (ZB - zettabyte) 皆 1 YB = 1024 ZB (YB - jottabyte) 佑 1 BB = 1024 YB (BB -

19、brontobyte),2.2.3数据传输速率： 指单位时间内传输的信息量。单位：比特/秒，用公式表示如下： S=（1/T）log2N 其中T是每码元的脉冲时间（即一个码元信号的周期），N是调制电平数（码元状态个数）。 只有码元取0和1两种离散状态值的时候（即N2时），脉冲频率才等于数据传输速率。 log2N表示一个码元携带的信息量，如当N=4时， log2N2，一个码元携带的信息量为2比特，此时S2/T，数据传输速率就相应成倍地提高。 所以，每秒发送的单位脉冲数一定的情况下，我们可以用一个码元表示更多的比特数（也就是提高码元携带的信息量）来提高传输率。,2.2.3数据传输速率： 奈魁斯特定理

20、指出：在有限带宽无噪声低通信道传输数据，其波特率是有极限的。它的最大码元率为： B=2W 其中：W为信道的带宽。而香农关于噪声的研究表明，如果有噪声时： M=Wlog2(1+S/N)bps M:最大传输速率；W:信道带宽；S：信号平均功率；N：噪声平均功率,2.2.4 时延（delay or latency）:指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间，由如下三个不同的部分组成： （1）发送时延：是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，也可称为传输时延。 发送时延数据块长度/信道带宽 注： 信道带宽就是数据在信道上的发送速率，也常称为数据在信道上的传输速率，提

21、高链路的带宽只是减小了数据的发送时延。,带宽为1Mb/s的链路,带宽为4Mb/s的链路,如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。,（2）传播时延：指电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。 传播时延信道长度/电磁波在信道上的传播速率 注：信号传输速率（即发送速率，单位是b/s）和电磁波在信道上的传播速率是两个完全不同的概念。通常所说的“光纤信道的传输速率高”是指光纤信道的发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际上比铜线的还要略低一点。 （3）处理时延：指数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。处理时延的长

22、短往往取决于网络中当时的通信量。,总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延,三种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,时延带宽积和往返时延,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积 = 传播时延 带宽,链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。,时延带宽积,往返时延 RTT,往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。,2.2.5 误码率(BER：Bit Error Rate)：误码率是

23、在通信系统中衡量系统传输可靠性的指标。它是指二进制码元在传输系统中被传错的概率。 PeNe/N Pe：误码率；N：传输的二进制码元总数；Ne表示被传错的码元数。 注：误码率与信噪比有很大的关系，如果设法提高信噪比，就可以使误码率减小。信噪比为信号功率与噪声功率之比。,2.3 模拟传输,2.3.1 模拟传输系统 2.3.2 调制解调器,2.3.1 模拟传输系统,电话通信系统是典型的模拟传输系统。目前全世界的电话机早以上十亿部。如此多的电话要互连成网，唯一可行的办法就是分级交换。 我国的电话网络原来分5级，上面4级是长途电话网，最低一级是市话网。4级长途交换中心从上到下分别是： 一级中心，又称大区

24、中心或省间中心。 二级中心，又称省中心。 三级中心，又称地区中心或县间中心。 四级中心，又称县中心。 每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。在这以下就是市话交换局，又称为端局，直接与其管辖范围内的各电话用户相连。,现在为动态无级选路DNHR（Dynamic NonHierarchical Routing）体制，只分两级，下面一级为本地网，大约有320个交换中心，本地网上面是省交换中心，共30个，各省交换中心组成全连通网络。,2.3.1 模拟传输系统,模拟通信系统：在数据通信系统中，处于信号转换设备之间的信号是模拟信号，则这个通信系统称为模拟通信系统。以电话系统为例：,调制解调

25、器(modem)包括： 调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。 解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。 调制解调器的作用： 调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。 若识别不正确，则产生误码。 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。,2.3.2 调制解调器modulator /demodulator -modem,1. 调制方式 进

26、行调制时，常把正弦信号作为基准信号或载波信号。调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。基于载波信号的三个主要参数，可把调制方式分为三种：振幅调制、频率调制、相位调制，可分别简称为调幅、调频、调相，如图所示。,三种模拟调制方式,（1）调幅（AM，Amplitude Modulation） 调幅即指载波的振幅随计算机送出的基带数字信号变化而变化。 （2）调频（FM，Frequency Modulation） 调频即指载波的频率随计算机送出的基带数字信号变化而变化。 （3）调相（PM，Phase Modulation） 调相指载波的初始相位随计算机送出的基带数字信号

27、变化而变化。,2. 调制解调器的分类 按应用环境分为音频Modem、基带Modem、无线Modem。 按传输速率分为低速Modem、中速Modem、高速Modem。 按功能先进性分为人工拨号Modem、自动拨号/自由应答式Modem、智能Modem。 按调制方式分为频移键控Modem、相移键控Modem、相位幅度调制Modem。,2.4 数字传输,2.4.1 脉码调制 2.4.2 数字数据信号编码 2.4.3 字符编码,数字通信系统：在数据通信系统中，处于信号转换设备之间的信号是数字信号，则这个通信系统称为数字通信系统。模型如图所示：,2.4.1 脉码调制,为了将模拟电话信号转变为数字信号，必

28、须对电话信号进行取样。即每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。,PCM的基本原理 （a）模拟电话信号 （b）取样后的脉冲信号 （c）编码后的数字信号 （d）解码后的脉冲信号 （e）恢复后的模拟电话信号,2.4.2 数字数据信号编码,基带传输中采用的编码方式常用的有以下3种： 不归零编码NRZ 规定用负电平表示“0”，用正电平表示“1”，亦可有其他表示方法。为保证收发正确，必须另外传送时钟同步信号2.15(a)所示。 曼氏编码 曼氏编码自带同步信号，每个比特持续时间分为两半。发送“0”时

29、，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平。发送“1”时，前一半时间为低电平，后一半时间为高电平。中间的跳变作为同步信号。如图2.15(b)所示。 差分曼氏编码 差分曼氏编码是对曼氏编码的改进。它与曼氏编码的不同之处主要是：每比特的中间跳变仅做同步用；每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定，发生跳变表示“0”，不发生跳变表示“1”，如图2.15(c)所示。,2.4.2 数字数据信号编码,图2.15 数字数据信号编码波形,2.5 多路复用技术,2.5.1 频分多路复用 2.5.2 时分多路复用 2.5.3 光波分多路复用,为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用(Multiplex)

30、技术，即让多路通信信道同时共用一条线路。,MUX：多路复用器,当采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地同时传输各自的信号，我们称之为频分多路复用(FDM：Frequency -Division Multiplexing)。 频分复用的特点：每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，在用户没有传输数据时，别的用户也不能使用。适合于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电缆电视（CATV）系统。值得注意的是频分复用系统中，各细分的频带之间有频带保护，以防止信号重叠，否则信号就要失真。,2.5.1频分多路复用（FDM）,当采用基带信号时，如让各路通信按时间顺序瞬时地分别占有线路

31、的整个频带，并周期性地重复此过程，该线路就按时间分隔成了多个逻辑信道，我们称之为时分多路复用(TDM：Time -Division Multiplexing)。,2.5.2 时分多路复用（TDM）,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,在上面的时分复用中我们可以看出，整个时间划分为固定大小的周期。各子通道都在占有一个时间段，大家轮流平均使用传输通道。这样接

32、收端按照约定的时间关系恢复各子通道的信息流。显然，当某一终端没有信息要发送时，这一部分带宽就浪费了。于是就有了异步时分多路复用（也叫动态时分复用、统计时分复用），只给有需求的终端分配信道。,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,波分复用就是光的频分复用。 WDM简单来讲就是将一条单纤转换为多条“虚纤”，每条虚纤工作在

33、不同的波长上。,8 2.5 Gb/s 波长均为1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,2.5.3 光波分多路复用（WDM）,EDFA， Erbium-doped Optical Fiber Amplifer掺铒光纤放大器，是一种对信号光放大的一种有源光器件。,8 2.5 Gb/s 波长均为1310 nm,频分多路复用、时分多路复用和波分多路复用的比较,频分多路复用：按频率分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路信号的频带不同。 时分多路复用：按时间分割，每一时隙内只有一路信号存在。 波分多路复用：按波长分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路

34、信号的波长不同。,2.6 数据交换方式,交换是网络实现数据传输的一种手段。在数据通信中数据信息从信源经过一个个中间结点，一站一站地传输到最终目的的。 实现数据交换的三种基本技术有： 电路交换 报文交换 分组交换,电路交换：计算机终端之间通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。在整个通信过程中双方一直占用该电路。 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,2.6.1 电路交换,更多的电话机互相连通,N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。,5 部

35、电话机两两相连，需 10 对电线。,使用交换机,当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义是： 转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接 优点：实时性强，时延小，交换设备成本较低。 缺点：线路利用率低，电路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能直接通信等缺点。 电路交换比较适用于信息量大、长报文，经常使用的固定用户之间的

36、通信。而计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,报文交换：将用户的报文存储在交换机的存储器中。当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或终端，它以“存储转发”方式在网内传输数据。 优点：中继电路利用率高，可以多个用户同时

37、在一条线路上传送，可实现不同速率、不同规程的终端间互通。 缺点：以报文为单位进行存储转发，网络传输时延大，且占用大量的交换机内存和外存，不能满足对实时性要求高的用户。报文交换适用于传输的报文较短、实时性要求较低的网络用户之间的通信,例如公用电报网。,2.6.2 报文交换,报文交换,分组交换：分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发送端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头，将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换兼有电路交换和报文交换的优

38、点，比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。 分组交换与报文交换相比有许多优点： （1）数据传输灵活，对中继结点存储容量的要求相对较少。 （2）转发延时性降低。 （3）转发差错少，对差错容易控制。 （4）便于控制转发。 但是，由于在目的结点要对报文进行重新组装，增加了目的结点对报文加工处理时间上的开销，增加了复杂性。,2.6.3 分组交换,报文,分组交换的原理（一）,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（二）,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的原理（三）,

39、分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,分组交换的原理（四）,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（五）,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换

40、网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,分组交换,在发送端把要发送的报文分割为较短的数据段 每个数据段增加带有控制信息的首部，构成分组（包） 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部

41、，抽出数据部分，还原成报文,首部,首部,首部,发 送,发 送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,基于存储转发的分组交换,分组从 A 传送到 B 的过程,电路交换、报文交换、分组交换的比较 电路交换：整个报文连续从源点直达终点，好像在一个管道中传输。 报文交换：整个报文先送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表， 转发到下一个结点。 分组交换：单个分组（报文的一个部分）传送到相邻结点，存储下来 后查找转发表，转发到下一个结点。,2.7 差

42、错控制,2.8.1 差错产生的原因与差错类型 2.8.2 差错检验与校正,2.7.1 差错产生的原因与差错类型,1. 传输差错和差错控制 传输差错是指通过通信信道后接收数据与发送数据不一致的现象。差错控制方法指在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。 2. 差错类型 差错产生的原因噪声。信号在传输过程中受到的噪声干扰有两种：热噪声和冲击噪声。 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错； 冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错； 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。,传输差错的 产生过程,3、差错控制方法 差错的控制方法有：自动请求

43、重发、向前纠错和混合纠错。 （1）自动请求重发（Automatic Repeat Request System）发现错误通知发送方重发该数据包。必须具备双向通道。,(2)前向纠错（Forward Error Correct） 在接收端不仅对接收的数据检测，当检测出差错后能自动纠正差错。,(3)混合纠错 在一定的可以忍受的范围内采用前向纠错机制，当错误编码位超过前向纠错可以处理的范围时，则采用反馈重发机制。,2.7.2 差错检验与校正,最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该

44、码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。 差错控制编码可分为检错码和纠错码。 检错码指能自动发现差错的编码。 纠错码指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。,1、奇偶校验码：校验位置的确定,奇偶校验又叫垂直冗余校验（VRC），其原理：如果采用奇校验，发送端发送一个字符编码（含校验位共8位），“1”的个数一定为奇数个，接收端对8个二进位中“1”的个数进行统计，若为偶数个则表明发生差错。如右图所示。,2、方块校验（水平垂直冗余校验LRC） 在VRC的基础上，在一批字符传送之后，另增加一个“方块校验字符”，方块校验字符的编码方式是使所传输字

45、符代码的每一纵向位代码中“1”的个数为奇数或偶数。如下图所示。,例：方块校验码,字符,位,3、CRC（Cyclic Redundancy Code）循环冗余校验,CRC校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n阶的二进制多项式，由 如一个8位二进制数10110101可以表示为： 多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法相同。多项式的加减法运算以2为模，加减时不进、错位，和逻辑异或运算一致。 采用CRC校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g（x）,并且g（x）的首位和最后一位的系数必须为1。 CRC的处理方法是：发送方以g（x）去除t（x），得到余数作为CRC校验码。校验时，

46、以计算的校正结果是否为0为据，判断数据帧是否出错。,CRC（Cyclic Redundancy Code）循环冗余校验(续),CRC校验可以100地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于k（k为g（x）的阶数）的突发错误。所以CRC的生成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。现在广泛使用的生成多项式有：,采用16位CRC校验，可以保证在 bit码元中只含有一位未被检测出的错误 。 CRC-32出错的概率为CRC-16的 倍,循环冗余校验方法的原理: (1)设要发送的数据对应的多项式为P(x). (2)发送方和接受方约定一个生成多项式G(x),设该生成多项式的最高次幂为r. (3)在数据块的末

47、尾添加r个0,则其对应的多项式为M(x)=2nP(x) (4)用M(x)除以G(x),获得商Q(x)和余式R(x),则M(x)=Q(x)*G(x)+R(x). (5)令T(x)=M(x)+R(x),采用模2运算,T(x)所对应的数据是在原数据块的末尾加上余式所对应的数据得到的. (6)发送T(x)所对应的数据 (7)设接受端接受到的数据对应的多项式为T(x),将T(x)除以G(x),若余式为0,则认为没有错误,否则认为有错.即若T(x)= T(x),则:,CRC（Cyclic Redundancy Code）循环冗余校验(续),例：设M=101001，,计算,一般取n为g(x)的阶数，,CRC（Cyclic Redundancy Code）循环冗余校验(续),本章主要学习了和网络密切相关的数据通信的一些知识，我们应该重点掌握的内容有： 数据通信系统的模型（了解数据通信系统模型） 数据的传输方式（理解各种传输方式的基本原理） 数据通信的主要技术指标（带宽、时延等） 数据的交换技术（重点掌握分组交换技术）,小结：,