数据交换技术由于通信技术和计算机网络技术的飞速发.ppt

3.5数据交换技术 由于通信技术和计算机网络技术的飞速发展，程控交换机、 以太网交换机的出现，使数据交换技术发生了很大的变化，比早 期的电话交换无论是效率还是在速度上都有了质的提高。本节将 主要介绍电路交换、报文交换和分组交换这三种的数据交换技术。,2.5.1 电路交换 电路交换就是由交换机负责在两个通信站点之间建立一条物 理专用线路。利用电路交换进行通信，包括建立电路、传输数据和电路拆除3个阶段。 1. 建立电路 在传输数据之前，必须建立一条点到点的电路。如所示 的网络，站点A向节点1发出请求，要求与B站通信。由于站点A 到节点1以及站点B到节点6均只有专用线路，所以节点1必须接通 一条到节点6的电路，节点1到节点6的电路可以有多种选择，如 126，1436等等。假设根据路由选择规划可选择电路 1436，这样就建立了从A到B的电路：A1436B。,电路交换 2. 传输数据 3电路拆除 数据传输完毕，就是终止电路连接。通常是由两个站中的一 个站来完成这一动作。拆除信号必须传送到电路所经过的各个 节点，以便重新分配资源。电路交换具有下列特点：,( 1 )呼叫建立时间长且存在呼损，在电路建立阶段，在两站间建立一条专用通路需要花费一段时间，这段时间称为呼叫建立时间。在电路建立过程中，由于交换网繁忙等原因而使建立失败，用户需要不断地挂断重拨，这称为呼损。 （2）电路连通后提供给用户的是“透明通路”，即交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加以限制，但对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式、传输控制等一致时，才能完成通信。 （3）一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传输延迟以外，没有别的延迟，在每个节点的延迟是可以忽略的，这较适用于实时大批量连接的数据传输。 （4）线路（信道）利用率低，电路建立，进行数据传输，直至通信链路拆除为止，信道是专用的，再加上通信建立时间、拆除时间和呼损，其利用率较低。,3.5.2 报文交换 计算机网络中经常要传送非即时性的数字数据，对于这样 的实时性要求不高的数据信息，中转节点可先把收到的信息 存储起来，等待信道空闲时再把信息转发给下一节点，这样 经过多个中转（间）节点的存储转发，最后到达目标节点。 这种交换方式就称为存储交换或存储转发（Store and Forward）。 存储交换 报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术。所谓报文，就 是需要发送的整个数据块，如一个数据文件、一篇新闻稿件等， 而不是数据的一部分。,每个报文都包括三个部分：报头、正文和报尾。报文中有报文号、源地址的和目的地址，中间节点根据目的地址为报文进行路由选择，正文就是要发送的数据块，报尾包含报文的校验信息，用来进行差错检查和纠错。 报文交换的优点是： （1）与电路交换相比，报文交换不要求交换网络为通信方预先建立一个传输通道，因此不存在建立连接和拆除连接的过程，也就没有建立和拆除连接所需的等待时间。 （2）线路利用率高，通信过程中不必要独占线路资源，不同的报文可共享节点间的同一条线路。 （3）传输可靠性高，表现在两个方面：一是能够对报文进行差错检查，若有错，可以让发送方重新发送；二是如果中间节点发现某条线路有故障，它可以选择其他转发路径。 （4）与下面要介绍的分组交换相比，控制简单，并且没有报文的拆分和装配问题，易于实现。 报文交换的缺点是： （1）节点存储转发的时延较大，并且有时延抖动现象（时延时报文长度和转发路径有关）。,（2）实际应用中报文的大小变化很大，这就为存储报文和缓冲器的分配带来困难。 （3）对于长报文，一旦出错就需要从头全部重发，因此会影响传输效率，并且带来更大的时延。 由于以上缺点，报文交换不适用于实时交互通信（如语音、实时视频等），现在已经基本上不再使用。,2.5.3分组交换 分组交换方式是把要传输的报文分成若干个小的数据块，称 为分组（Packet），然后以分组为单位按照与报文交换同样的方 法进行传输。分组头部中包含了分组编号，当各分组都达到目 的节点后，目的节点按分组编号重组报文。 分组交换有两类： 数据报（Datagram）方式和虚电路（Virtual Circuit）方式。,1. 数据报方式 数据报方式中，交换网络对各分组独立进行处理，而不考虑 它与同一报文中其他分组的关系。目的站点需要对到达的分 组编号重新排序和组装。 分组通过多个路径穿越网络,图中，主机A按顺序发出分组1和分组2，但是分组2却由于路 径较短而先于分组1到达主机B。 数据报方式不能保证分组按序达到 2. 虚电路方式 虚电路方式就是两个端用户相互通信前必须建立一条逻辑连 接，即虚电路。这条虚电路可以事先建立，也可以临时建立。,虚电路方式中，仅在请求建立虚电路的控制分组中需要指明目的站点的地址，而在数据传输时只要在数据分组中指明经过哪条虚电路传输即可。虚电路方式可以看成是结合了电路交换技术的分组交换。 虚电路的实现方法是，在建立虚电路时，虚电路路径上的所有交换机都会在内部路由表中登记该虚电路的编号和转发路径，将预留一些资源。交换机收到分组时，就会根据分组中的虚电路号查找路由表，决定转发路径并执行存储转发操作。可以看出，虚电路实际上由网络中相互连接的一些交换机中的表项来定义的， 分组通过预先建立好的虚电路穿越网络,虚电路有两种类型： 永久虚电路PVC（Permanent Virtual Circuit）和交换虚电路 SVC（Switched Virtual Circuit）。PVC是由电信服务提供商 为用户预先建立的半永久的虚电路。一旦建立，即可长期存 在，直到用户申请撤销为止。SVC则类似于电话呼叫，需要 时建立，用完后撤销。何时建立以及何时撤销均由用户自己 决定。一般来说，需要长期频繁交换信息的站点之间应该使 用PVC，而间歇性的应用以及高度网状连接的网络应该使用 SVC。 虚电路方式的优点是能保证分组按序、按时到达以及保护 分组不丢失，即它能够提供通信服务质量的保证。,3.6 传输介质 传输介质是指在计算机网络中用于连接计算机、交 换机和路由器等网络设备的物理媒体。传输介质包括有 线传输介质和无线传输介质两大类。 常用的有线传输介质有： 同轴电缆、双绞线和和光纤等； 而无线传输介质主要有： 无线电波、红外线和激光等。,3.6.1 有线传输介质 1同轴电缆 同轴电缆中央是一根比较硬的铜导线或多股导线，外面是一层绝缘材料包裹，这一层绝缘材料又被第二层导体所包住，第二层导体可以是网状的导体（有时是导电的铝箔），主要用来屏蔽电磁干扰，最外面由坚硬的绝缘塑料包住(一般是白色的PVC护套)， 同轴电缆通常使用的有50和75两种类型。,2双绞线 双绞线（TP，Twisted Pair）是目前使用最广泛、价格最低廉的一种有线传输介质。它由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导线组成，导线的真径为1mm（在0.41.4mm之间）。采用两两相绞的绞线技术可以抵消邻线对之间的电磁干扰和减小近端串扰。 双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输速率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输速率可以高一些。典型的数据传输速率为10Mbps、100Mbps，也可高达1000Mbps。 双绞线电缆一般由多对双绞线外包缠护套组成，其护套称为电缆护套。电缆的对数可分为4对双绞电缆、大对数双绞线电缆（包括25对、50对、100对等）。4对UTP电缆的4对线具有不同的颜色标记，这4种颜色是蓝色、橙色、绿色、棕色。 双绞线按照是否有屏蔽层又可以分为非屏蔽双绞线（UTP，如果2.22所示）和屏蔽的双绞线（STP，）。STP由于采用了良好的屏蔽层，所以抗干扰性较好，但由于价格较贵，因此在实际组网中用得不是很多。,Cat1：适用于电话和低速率数据通信。 Cat2：适和于ISDN及T1/E1，支持16MHz的数据通信。 Cat3：适用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4，支持20 MHz的数据通信。 Cat5：适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持100 MHz的数据通信。 Cat5e：既适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持100 MHz的数据通信；又适用于1000Mbps的1000Base-TX，支持1000 MHz的数据通信。 Cat6：适用于1000Mbps的1000Base-TX支持1000 MHz的数据通信。 6类双绞线电缆为减小线对之间的串扰，通常在线对间采用了圆形、片形、十字星形、十字骨架等填充物。十字星形填充的又绞线对称电缆构造是电缆中建一个十字交叉中心，把4个线对分成不同的信号区，这样就可以提高电缆的抗近端串扰性能，减小在安装过程中由于电缆连接和弯曲引起的电缆物理上的失真，十字骨架的构造在保证前后位置精准方面进行了更多的改进。 双绞线电缆连接硬件包括电缆配线架、信息插座和接插和接插软线等。它们用于端接或真接连接续电缆，使电缆和连接件组成一个完整的信息传输通道。常用的RJ45（俗称水晶头）和信息模块，如图所示。,使用双绞线作为传输介质的优越性在于其技术标准非常成熟，价格底廉，而且安装也相对容易；其缺点是双绞线对电磁干扰比较敏感，并且容易被窃听。双绞线目前主要用于室内。 3. 光纤 （1）光纤的组成 纤由光纤芯、包层和涂覆层三部分组成。,最里面的是光纤芯，包层将光纤芯围裹起来，使光纤芯与外界隔离，以防止与其他相邻的光导纤维相互干扰。包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层，涂覆村料为硅酮树酯或聚氨基甲酸乙酯，涂覆层的外面套塑（或称二次涂覆），套塑的原料大都采用尼龙、聚乙烯或聚丙烯等塑料，从而构成光纤纤芯，如图所示。 光纤示意图,光纤芯，是光的传导部分，而包层的作用是将光封闭在光纤芯内，光纤芯和包层的成分都是玻璃，光纤芯的折射率高，包层的折射率低，这样可以把光封闭在光纤芯内。如图所示。 光纤中光的传输 涂覆层是光纤的第一层保护，它的目的就是保护光纤的机械强度，光纤涂覆层在光纤受到外界震动时保护光纤的光学性能和物理性能，同时还可以隔离外界水汽的侵蚀。光纤涂覆层在光纤受到外界震动时保护光纤的光学性能和物理性能，同时还可以隔离外界水汽的侵蚀。,光纤加强元件是为保护光纤的机械强度和刚性，光纤能常包含一个或几个加强元件。在光纤被牵引的时候，加强元件使得光纤有一定的抗拉强度，同时还对光纤有一定的支持保护作用。光纤加强元件有芳纶砂、钢丝和纤维玻璃棒等3种。 光纤护套是光纤的外围部件，它是非金属元件，作用是将其他的光纤部件加固在一起，保护光纤和其他的光纤部件免受损害。 光纤既不受电磁干扰，也不受无线电的干扰，由于可以防止内外的噪声，所以光纤中的信号可以比其他的有线传输介质传得更远。由于光纤本身只能传输光信号，为了使光纤传输电信号，光纤两端必须配有光发射机和光接收机，光发射机完成从电信号到光信号的转换，光接收机则完成从光信号到电信号的转换。光电转换通常采用载波调制方式，光纤中传输的是经过调制的光信号。,光纤的主要优点是支持极高的频带宽度，数据传输速率高（大于100Mbps），衰减极低，传输距离远，且抗干扰能力和保密性能强，但是光纤的线缆成本高并且连接比较复杂，光纤目前主要用于长距离的数据传输和网络的主干线，或被用于有危险的、高压的或容易泄露信号的恶务环境。但随着光纤的价格不断隆低，其使用范围也越来越广。 (2) 光纤的分类 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤两种 单模光纤的芯线直径一般为向个光波的波长，当激光束进入芯线中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。单模光纤的传输率较高，但比多模光纤更难制造。通常在室内采用多光模光纤，而在室外采用单模光纤。,多模光纤允许在同一个纤芯里面同时传送多种模式（路径）的光。根据入射角度的不同，各种模式的光在光纤中实际经过的距离可能不同。入射角的问题会使得不同模式的光到达目的地（线缆接收端）的时间略有差异这种现象称为模式色散。多模光纤采用一种特殊的玻璃，称为渐变折射率玻璃，其朝纤芯外缘方向的折射率更小。这种玻璃使得光在通过纤芯中心速度放慢，通过纤芯中心以外的区域时速度加快，这就保证了所有模式的光能几乎同时到达终点。采用这种设计是因为，从光纤中心部分通过的光线相比在光纤内不断反射传递的光线，所经过的路径更短。所有的光线应该同时到达光纤末端。这样，光纤接收端的接收器就能收到一个强闪的光，而不是一个很长很模糊的脉冲。 红外发光二级管（LED）与直腔面发射激光器（VCSEL）通常用作多模光纤的光源。相比激光，发光二极管的造价便宜一些，需要注意的安全问题也更少。但是，发光二极管所发射的光在光纤中传输的距离没有激光长。多模光纤（62.5/125）传输数据的距离最远可以到达2000m(6560英尺)。多模光纤主要应用在局域网中，也包括了骨干的布线。 单模光纤几乎没有空间供光线进行来回反射。而且，单模光纤还使用非常汇聚的红外激光作为光源。激光光源所产生的光纤以90度进入纤芯。因此，单模光纤中，承载数据的光线脉冲基本上是沿直线在纤芯中传播，这大大的提高了数据传送的速度和距离。,基于这种设计，单模光纤相比多模光纤，传送数据的速率（带宽）更高，距离更远。单模光纤可以将局域网数据传递3000m的距离。多模光纤最多只能传送2000m。激光和单模光纤比发光二极管和多模光纤更贵。由于这些特性，单模光纤通常用作骨干网或建筑物之间的连接或广域网连接。 （3）光纤通信结构模式 目前在局域网中实现的光纤通信是一种光电混合式的通信结构。通信中的电信号与光纤中传输的光信号之间要进行光电转换，光电转换通过光电转换器完成，如图所示。 光纤通信中光电转换的结构图,在光电转换的过程中其物理层实现通过光纤连接器和光纤连接设备完成的 光纤连接部件主要有配线架、端接架、接线盒、光纤信息插座、各种连接器（如ST、SC、FC等）以及用于光纤与电缆转换的器件。它们的作用是实现光纤线路的端接、续接和光纤传输系统的管理，从而形成光纤传输的系统通道。,光纤连接的设备目前主要有光纤收发器、光接口网卡和光纤模块交换机含光纤模块等。光纤收发器是一种光电转换设备，主要用与楼宇之间带RJ-45的交换机与光纤连接之间的转换，,光纤接口网卡主要用于服务器需要与交换机之间进行高速的光纤连接。 带光纤接口的交换机主要用于对连接速率与连接距离的有需求的地方。有些交换机为了适应单模和多模光纤的连接，使用了光纤模块。根据不同网络环境的需求，选用不同的光纤模块，将光纤模块插入交换机的扩展插槽中。,3.6.2 无线传输介质 无线传输是指可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信的传输媒体。地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理通道，就是常说的无线传输介质。无线传输所使用的频段很广。人们现在已经利用了好几个波段进行通信，紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。无线通信的方法有微波、激光和红外线通信。 1.微波通信 微波数据通信有两种形式：地面系统和卫星系统。 2、激光通信 激光通信的优点是带宽更高、方向性好、保密性能好等。激光通信多用于短距离的传输。激光通信的缺点是其传输效率受天气影响较大。 3、红外线通信 红外线通信不受电磁干扰和射频干扰的影响。红外无线传输建立在红外线光的基础上，采用光发射二极管、激光二极管或光电二极管来进行站点与站点之间的数据交换。红外无线传输可以进行点到点通信，也进行广播式通信。但这种传输技术要求通信结点之间必须在直线视距之内，不能穿越墙，红外线传输技术数据传输率相对较低，在面向一个方向通信时，数据传输率为16Mbps。如果选择数据向各个方向传输时，速度将不能超过1 Mbps。,3.8 差错控制技术 人们总是希望在通信线路中能够准确无误地传输数据，但由 于来自信道内外的干扰与噪声，数据在传输与接收的过程中，难 免会发生错误。如何及时自动检测差错并进一步校正，这是数据 通信系统需要解决的问题。,3.8.1 差错的产生 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。当数据从信源出发，由于信道总是有一定的噪声存 在，因此在到达信宿时，接收信号是信号与噪声的叠加。在 接 收端，接收电路在取样时判断信号电平，如果噪声对信号 叠加的结果在最后电平判决时出 现错误，就会引起传输数据 的错误。 信道噪声分为热噪声与冲击噪声两类。,热噪声由传输介质导体的电子热运动产生。 热噪 声的特点是： 时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽，是一 类随机噪声。 冲击 噪声由外界电磁干扰引起，与热噪声相比，冲击噪声幅度 较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声持续时间与数据传 输中每比特的发送时间相比，可能较长，因而冲击噪声引起相邻 的多个数据位出错，所引起的传输差错为突发差错。通信过程中 产生的传输差错由随机差错与突发差错共同构成