第3章数据通信与通信网基础2

3.5 数据交换技术若 H1与 H5通信，则 A与 E分别称源结点与宿结点。通信子网必须能为所有进网的数据流提供从源结点到宿结点的通路，而实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术。 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。电路交换是面向连接的。 在线路交换和转接过程中，通信的双方首先必须通过网络节点建立起专用的通信信道，即在两个网络节点之间建立起实际的物理线路连接，然后，双方使用这条端到端的线路进行数据传输。如电话通信系统。3.5.1 电路交换 (CIRCUIT SWITCHING)利用电路交换进行通信过程 电路建立 数据传输 拆除电路特点电路建立时间延迟大线路利用率低传输实时性、透明性好适合于远程批处理信息传输和实时性要求高的场合报文 (message) ：站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。工作原理： “存储 -转发 ”。发送端将一个目的地址附加在报文上发送出去；每个中间节点先接收整个报文，检查无误后暂存这个报文（存储），然后根据报文的目的地址，选择一条合适的空闲输出线路将整个报文传送给下一节点（转发）；直至目的节点。3.5.2 报文交换和报文分组交换1. 报文交换在报文交换方式中，当一个站点要发送数据给另一个站点时，不需要事先在两站之间建立专用通路。 报文交换的特点 线路利用率高 ，故障的影响小 不需要收、发两端同时处于激活状态 延迟时间长，不适合于对实时性要求强的传输，例如：会话或实时转播等。 报文长度不限 对中间节点的要求高，例如：存储能力或处理能力等。 通信不可靠、失序有时中间节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文；而且发出的报文不按顺序到达目的。 报文交换的主要缺点每一个结点对报文数据的存储转发时间较长，传输一份报文的 总时间并不比采用线路交换方式短，或许会更长。因此，报文交换不适于传输实时的或交互式业务，例如话音、传真飞终端与主机之间的会话业务等。事实上，报文交换只是主要应用 于非计算机数据业务 （ 如民用电报业务 ） 的通信网中，以及公共数据网发展的初期。2. 分组交换 (packet switching) 分组交换将用户的大报文分成若干个报文分组 (包 )，并以报文分组为单位在网络中传输。每一个报文分组均含有数据和目的地址，同一个报文的不同分组可以在不同的路径中传输，到达终点以后，再将它们重新组装成完整的报文。特点： 开销大（地址信息），适应少量数据的传送。 每个数据报（即分组）必须携带详细的地址信息。 通信不可靠、失序。 故障的影响小。数据报可以绕开故障区而到达目的地。 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。三种交换的比较3.5.3 高速交换技术 帧中继交换帧中继是一种减少结点处理时间的技术。帧中继以帧为单位进行交换，又称为快速分组交换 异步传输模式 ATM以信元为基本传输单位，主要采用了信元交换和异步时分多路复用技术。可以动态分配带宽，因此非常适合于输出突发性数据。3. 6 数据 通信的主要性能指标3.6.1 数据传输速率与信道带宽1. 基本概念 信道带宽带宽是指物理信道的频率宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹 (Hz)。信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了一个频率通带。 数据传输速率指单位时间内信道上传送的信息量， 单位为比特 /秒(bit/second)，记作 bps。周期信号的 FOURIER 分析 一切周期信号都可以由正弦波、余弦波叠加而成。 这些波的频率由低到高分别为： f0， 2f0， 3f0, ,分别称为一次、二次、三次 谐波谐波 。 所有这些频率构成 S(t) 的 频谱频谱 。 f0 称为 基频基频 ， f0 1/T， T 称为信号周期 。 周期信号的全部频率 (及其相应的振幅和初始相位 )称为 信号的频谱信号的频谱 (spectrum)。 信号频率区间的大小，即频谱的宽度称为 信号的带宽信号的带宽(bandwidth)。2. 信道最大传输速率信道容量及 NYQUIST 原理 问题：一个模拟信号对脉冲载波进行 PCM 调制，就得到相应的数字信号，这是采样。从采样得到的数字信号能否恢复原模拟信号？ 采样定理：设模拟信号的带宽是采样定理：设模拟信号的带宽是 W， Ts是采样间隔是采样间隔，则当采样率，则当采样率 fs =1/Ts =2W时，由采样数据就可以时，由采样数据就可以恢复原模拟信号。恢复原模拟信号。 话音频率 4000Hz，采样率 8000次 /秒 。 从采样定理可以得到信道带宽与信道的数据传输速率的关系 Nyquist 原理：设信号是原理：设信号是 M值，带宽为值，带宽为 W的信道传输的二进制数据的最大速率，即信道容量为的信道传输的二进制数据的最大速率，即信道容量为 C = 2W log2 MM = 2， C = 2W信道容量信道容量 -最大数据传输率最大数据传输率 M 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps D = 2W log2 K D = 传输率，单位 b/s或 bpsW = 带宽，单位 HzK = 信号电平级数例如：话音级线路 (3000 Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据 。Nyquist 公式公式 ：用于理想信道：用于理想信道非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致 信噪比 S/N降低 。b）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生 信号畸变 。c）噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将 破坏信号，产生误码 。持续时间 0.01s的干扰可以破坏约 560个比特（ 56Kbps）。 Shannon (香农 ) 考虑了信道有热噪声的 情况 设 S/N 是信噪比， S是信号功率， N是噪声功率，则C = W log2 ( 1 + S/N )例：信道带宽 W=3KHz，信噪比为 30dB，则C=3000*log2(1+1000) 30KbpsNyquist公式和 Shannel公式的比较 D = 2W log2K说明数据传输率 D随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(1+S/N)说明信道能达到的最高传输速率。对于一个物理信道而言，如果带宽、噪声、传输介质等已经确定，那么按照香农定理，其最大传输速率（极限速率）也就确定了，采用不同的调制技术，可以得到不同的数据传输速率，但总是小于香农定义的极限速率。反过来，如果噪声、传输介质、调制技术等都已确定，那么带宽越宽（如从 10MHz扩充到 20MHz），意味着数据传输速率越高。3.6.2 误码率 Pe误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，也称为 “出错率 ”。 误码 率是衡量通信系 统 在正常的工作情况下 传输 可靠性的指 标传输延迟信息传输的延迟指数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花费的时间。信息传输的延迟时间主要与发送和接收处理时间、电信号响应时间、中间转发时间以及信道传输延迟时间有关。 Return3.6.3 影响信道质量的其他因素3.7 通信网简介3.7.1 公用电话交换网（ PSTN）主要提供语音通信服务，同时提供数据通信业务PSTN以模拟技术为基础的电路交换网络。通信时，借助于modem实现。 PSTN的主要作用是通过程控交换机之间的连接，实现用户之间的语音和数据通信。按功能分类： PSTN由国际交换局、长途交换局、中心交换局、端交换局和用户等层次按系统构成分类： PSTN由 交换设备不可缺少的，反映并决定 PSTN的连接能力。主要有程控交换机、计算机交换机 传输媒体与交换机设备构成完整的传输系统 用户设备指信源和信宿设备，是用户直接使用的 信令系统实现用户间通信3.7.2 公用分组交换网采用 X.25协议，又叫 X.25网n X.25是一种老式的数据通信服务，应用在线路质量不可靠的模拟电话线路上，协议的很大部分集中在寻址、流量控制、差错校验等一系列问题上，效率很低，速率一般小于或等于 60Kbps。n X.25协议是 ITU T制定的 “在公用数据网上以分组方式工作的数据终端设备 (DTE)和数据电路终接设备（ DCE）之间的接口 ”规范n X.25的分组有两类，即控制分组和数据分组。虚电路的建立、数据传输的流量控制、虚电路的拆除等，都要用到控制分组。每个 X.25分组由分组头部和分组的数据部分组成。X.25由分组交换机、用户接入设备和传输线路组成。3.7.3数字数据网数字数据网（ DDN）是一种利用数字信道（光纤、数字微波、卫星）和数字交叉复用技术组成的、以传输数字信号为主的数字数据传输网络。 DDN简称专线。我国的DDN网叫 china DDN，一般提供 N 64Kbps的数据速率，目前最高为 2Mbps，由 DDN交换机和传输线路组成。DDN主要用于点对点的局域网连接。 DDN本身是一种数据传输网，支持任何通信协议。DDN与 X.25的区别：X.25是一个分组交换网，本身具有三层协议，用呼叫建立虚电路，具有协议转换、速率匹配等功能，适用不同通信规程、不同通信速率设备之间建立互连； X.25只在高层协议上透明。 X.25按通信字节收费。DDN不具备交换功能，利用 DDN的主要方式是租用专线， DDN是全部透明的网络，在速率大于 64Kbps时采用复用技术。 DDN按固定月租收费。 DDN具有支持数据、语音、图像等信息传输，传输速率高、延时小、传输质量高、信道利用率高、传输距离远等特点。3.7.4帧中继网n 帧中继是一种支持 HDLC规程 的宽带数据业务标准，由X.25分组交换技术演变而来，与 X.25相比，不再强调数据传输的可靠性，而重于数据的快速传输，最大限度地提高网络的吞吐量。帧中继是一种快速分组交换技术。n 帧中继省略了 X.25的分组层，以数据链路层的帧为基础实现多条逻辑链路的统计复用和转换。帧中继网由三部分组成： 帧中继接入设备（ FRAD） 是具有帧中继接口的任何类型的接入设备，如主机、分组交换机、路由器等 帧中继交换设备。 有帧中继交换机、具有帧中继接口的分组交换机及其他复用设备 ,为用户提供标准的帧中继接口。 公用帧中继业务。 该业务是通过用户网络接口（ UNI）提供的， UNI的用户一侧是帧中继接入设备，用于本地用户设备接入帧中继网络；另一侧是帧中继交换设备，用于帧中继接口与骨干网之间的连接。帧中继的主要目标是为局域网互联提供合理的速率和较低的价格。采用两种关键技术： 虚拟租用线路 ：所谓虚拟租用线路是与专线方式相对而言的。例如一条总速率 640KbPS的线路，如果以专线方式平均地租给 10个用户，每个用户最大速率为64KbpS，这种方式有两个缺点，一是每个用户速率都不可以大于 64KbpS，二是不利于提高线路利用率。采用虚拟租用线路的情况就不一样了，同样是 640KbpS的线路租给十个用户，每个用户的瞬时最大速率都可以达到640KbpS，也就是说，在线路不是很忙的情况下，每个用户的速率经常可以超过 64KbPS，而每个用户承担的费用只相当于 64KbPS的平均值。 “流水线 ”方式 ：指数据帧只在完全到达接收节点后再进行完整的差错校验，在传输中间节点位置时，几乎不进行校验，尽量减少中间节点的处理时间，从而减少了数据在中间节点的逗留时间。每个中间节点所做的额外工作就是识别帧的开始和结尾。 X.25的每个中间节点都要进行繁琐的差错校验、流量控制等，这主要是因为它的传输介质可靠性低所造成的。帧中继正是因为它的传输介质差错率低才能够形成 “流水线 ”工作方式。3.7.5 综合业务数字网（ ISDN）n 以电话综合数字网为基础发展而成的通信网，以公用电话交换网作为通信网络，即利用电话线进行数据