数据通信技术基础.ppt

第3章数据通信技术的基础知识,主讲教师：刘兴顺,计算机通信原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,2,3.2.2信道复用技术（多路复用）,信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。四种信道复用方式：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,3,1.频分多路复用FDM,FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段（带），每个信号占其中一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,4,在一条通信线路设计多路通信信道;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,5,2.时分多路复用TDM,TDM又分为同步时分复用（SynchronousTimeDivisionMultiplexing，STDM）和异步时分复用（AsynchronousTimeDivisionMultiplexing，ATDM）。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,6,时分多路复用,时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片；在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。,每个用户占一个信道,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,7,(1)同步时分复用STDM,STDM采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,8,(2)异步时分复用,异步时分复用技术又被称为统计时分复用，它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。在所有的数据帧中，除最后一个帧外，其他所有帧均不会出现空闲的时隙，从而提高了资源的利用率，也提高了传输速率。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,9,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,10,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,11,3.波分多路复用WDM,WDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号,提高了光纤的传输能力。最初，在一根光纤上只能复用两路光载波信号，随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多。现在已达到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，这种复用方式就是密集波分复用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,12,波分多路复用,目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,13,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,14,4.码分多路复用,码分多路复用又称为码分多址CDMA(CodingDivisionMultiplexingAccess)。CDMA也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用基于码型的分割信道方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。,注:在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,15,4.码分复用(CDM),码分复用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳1个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。联通CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)就是码分复用的一种方式，称为码分多址，此外还有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和同步码分多址(SCDMA)。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,16,码分复用,(1)FDMAFDMA频分多址采用调频的多址技术，业务信道在不同的频段分配给不同的用户。FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网就是采用FDMA和TDMA两种方式的结合。(2)TDMA时分多址TDMA时分多址采用了时分的多址技术，将业务信道在不同的时间段分配给不同的用户。TDMA的优点是频谱利用率高，适合支持多个突发性或低速率数据用户的接入。除中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广电HFC网中的CM与CMTS的通信中也采用了时分多址的接入方式(基于DOCSIS1.0或1.1和EruoDOCSIS1.0或1.1)。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,17,(3)CDMA码分多址,CDMA是采用数字技术的分支扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDM和TDM的基础上发展起来的。FDM的特点是信道不独占，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；TDM的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠；CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的效率高，系统的容量大。CDMA的技术原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码(PN)进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,18,CDMA系统模型,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,19,(4)同步码分多址技术,同步码分多址(SCDMA，SynchrnousCodeDivisionMultiplexingAccess)指伪随机码之间是同步正交的，既可以无线接入也可以有线接入，应用较广泛。广电HFC网中的CM与CMTS的通信中就用到该项技术，例如美国泰立洋公司(Terayon)和北京凯视通电缆电视宽带接入，结合ATDM(高级时分多址)和SCDMA上行信道通信(基于DOCSIS2.0或EruoDOCSIS2.0)。中国第3代移动通信系统也采用同步码分多址技术，它意味着代表所有用户的伪随机码在到达基站时是同步的，由于伪随机码之间的同步正交性，可以有效地消除码间干扰，系统容量方面将得到极大的改善，它的系统容量是其他第3代移动通信标准的45倍。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,20,多址技术,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,21,移动通信发展历程,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,22,IMT-2000技术规范体制,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,23,3.2.3差错控制技术,根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出，经过通信信道传输，由于信道总存在着一定的噪声，数据到达信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断信号电平。如果噪声对信号的影响非常大时，就会造成数据的传输错误。差错控制的核心是抗干扰编码，即信道编码，又称差错纠正编码。它的基本思想是通过对信息码序列作某种变换(例如加入一定的多余码元)，使原来彼此独立，没有相关性的信息码元序列，经过这种变换后，产生某种规律(相关性)，从而在接收端有可能根据这种规律性来检查，进而检测或纠正传输序列中的差错,从而提高数字信号传输的可靠性。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,24,1.通信信道中的噪声,通信信道中的噪声分为热噪声和冲击噪声。热噪声是由传输媒体的电子热运动产生的，其特点是时刻存在，幅度小，干扰强度与频率无关，但频谱很宽，属于随机噪声。由热噪声引起的差错属于一种随机差错。冲击噪声是由外界电磁干扰引起的，与热噪声相比，冲击噪声的幅度较大，是引起差错的主要原因。冲击噪声持续时间与数据传输中每个比特的发送时间相比，可能较长，因而冲击噪声引起的相邻多个数据位出错呈突发性。冲击噪声引起的传输差错称为突发差错。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,25,数据通信信道的实际情况,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,26,数据通信差错产生的原因,在通信过程中出现的传输差错，是由随机差错和突发差错共同构成的，而造成差错可能的原因包括：在数据通信中，信号在物理信道上的线路本身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减；电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应；相邻线路之间的串线干扰；大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化以及电源的波动等外界因素。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,27,2.差错控制方法,(1)前向差错控制(前向纠错FEC)：前向纠错方式是发送端发送有纠错能力的码，接收端的纠错译码器收到这些码之后，按预先规定的规则，自动地纠正传输中的错误。差错检测编码有奇偶校验码、水平垂直奇偶校验码、CRC循环冗余码等。差错纠错编码有汉明码和卷积码等。差错纠错编码也只能解决部分出错的数据，对于不能纠正的错误，就只能使用ARQ的方法。这种方式的优点是不需要反馈信道，能够进行一个用户对多个用户的同时通信(如广播)。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,28,差错控制的方法,(2)反馈重发(自动请求重发ARQ)：接收端检测到接收信息有错后，通过反馈信道要求发送端重发原信息，直到接收端认可为止，从而实现纠错；检错重发方式的发送端发出有一定检测错误能力的码。收端译码器根据编码规则，判断这些码在传输中是否有错误产生，如果有错，就通过反馈信道告诉发送端，发送端将接收端认为错误的信息再次重新发送，直到收端认为正确为止。该方式的优点是只需要少量的多余码，就能获得极低的误码率。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,29,这种方式是FEC和ARQ两种方式的结合。发送端发送的码不仅能够检测错误，而且还具有一定的纠错能力。接收端译码器接收到码组之后，首先检查错误，若在其纠错能力之内，则自动纠正错误，如果错误很多，超出了接收端的纠错能力，则通过反馈信道请求发端重发这组信息。这种方式不但克服了FEC冗余度较大、需要复杂的译码设备的缺点，同时还增强了ARQ方式的连贯性，在卫星通信中得到了广泛的应用。上述三种差错控制方式各有自己的优缺点，在实际的通信系统中，可根据需要适当地选择差错控制方式。,(3)混合差错控制出(HEC),2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,30,降低误码率的方法：,(1)是降低数字信道本身引起的误码，即选择高质量的传输线路、改善信道的传输特性、增加信号的发送能量、选择有较强抗干扰能力的调制解调方案等等；(2)是采用差错控制措施，使用信道编码。在许多情况下，信道的改善是不可能的或者是不经济的，这时只能采用信道编码方法。,4.差错控制原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,31,前面已经提到，信道编码的基本思想是在被传送的信号中附加一些监督码元，并在信息码元和监督码元之间建立某种校验关系。当这种校验关系因传输错误而被破坏时，利用已经建立的校验关系，就可以发现错误并予以纠正。因此，可以说信道编码的这种纠错和检错能力是用增加信号的冗余度换取的。,检错和纠错编码的基本原理：,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,32,三位二进制码元共有8种可能的组合。若将其全部用来表示天气，则可以表示8种不同的天气状况。,例如,若在传输过程中发生一个误码，则任何一种码组(码字)会错误地变成另外一种码组。这是由于每一种码组都可能出现，没有多余的信息量，因此接收端不可能发现错误，以为发送的就是另外一种码组。若上述8种码组中只选用4种码组来传递信息，例如：,000(晴)，001(云)，010(阴)，011(雨)，100(雪)，101（霜），110（雾），111（雹）。,000=晴011=云101=阴110=雨,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,33,这时，虽然只传送4种不同的天气，但是接收端却有可能发现码组中的一个错码。,例如，若000(晴)这一码组中错了一位码，则接收到的码组可能变为100或010或001。由于这3种码组都是不能使用的，称为禁用码组，故接收端在收到禁用码组时，就可以发现错误，即检出了错误。,上述的编码方法只能检测错误，不能纠正错误。例如，当收到的禁用码组为100时，接收端无法判断是哪一位码发生了错误，因为晴(000)、阴(101)、雨(110)三种码组错了一位都可能变成100。可见，若要能够纠正错误，还必须增加冗余度。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,34,从上面的例子中，还引出了“分组码”的一般概念。我们把这种将信息码分组，为每组信息码附加若干个监督码元的编码称为分组码。在分组码中，监督码元仅监督本码组中的信息码。,码距、编码效率和编码增益：,编码的检错或纠错能力与码字间的最小距离有关。.码字的重量：分组码中，一个码字中“1”的数目,用w表示。如码字11010，重量W=3；码距：把两个等长码字之间对应码位上具有不同的二进制码元的个数，称为这两个码字的海明距离，简称码距，用d表示。例如，两个码字11000与10011，它们在第2、4、5位上二进制码元不同，故d=3。最小距离：我们把一个编码的码组集合中，任何两个许用码组之间距离的最小值称为最小距离，用dmin表示。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,35,最小距离是信道编码的一个重要参数，它直接与编码的检错和纠错能力有关。在一般情况下，对于分组码有如下结论：(1)为检测e个错码，最小距离应满足(2)为纠正t个错误，最小距离应满足(3)为纠正t个错误，同时又能够检测e个错误，最小码距应满足,dmine+1,dmin2t+1,dmine+t+1(et),2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,36,检错和纠错编码的基本原理：,在数据通信中，原发送信息，不具备抗干扰性能，如果引入冗余度后，就可以使新的码组具有一定的抗干扰能力。例如，两个码元构成四种码组00、01、10、11，无法检错，而使用三个码元，有用码组为000、011、101和110；目前差错控制常采用冗余编码方案，检测和纠正信息传输中产生的错误。冗余编码思想就是：把要发送的有效数据在发送时按照所使用的某种差错编码规则加上控制码（冗余码），当信息到达接收端后，再按照相应的校验规则检验收到的信息是否正确。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,37,差错编码,差错检测编码：奇偶校验码；水平垂直奇偶校验码；CRC循环冗余码等；差错纠错编码：汉明码；卷积码；,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,38,奇偶校验码,采用奇偶校验法，在每个字符的数据位传输之前，先检测并计算奇偶校验位，然后将其附加在后；根据采用的奇偶校验位是奇数还是偶数，推出一个字符包含“1”的数目，接收机重新计算收到字符的奇偶校验位，并确定该字符是否出现传输差错；若每个字符只采用一个奇偶校验位时，只能发现单个比特差错，如果有两个或两个以上比特出错，奇偶校验位无效；异步传输和面向字符的同步传输均采用奇偶校验技术；,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,39,奇偶校验码,奇偶校验码是在原信息码后面附加一个监督码元，使得码组中“1“的个数是奇数或偶数。因此奇偶校验码可分为奇校验码和偶校验码。奇校验码:是在加入监督码后使每个代码中“1“的个数为奇数个；偶校验码:是在加入监督码后使每个代码中“1”的个数为偶数个。,如：信息码为10010101，则奇校验码为100101011偶校验码为100101010,监督码,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,40,二维奇偶校验码,二维奇偶校验码又称方阵码，它是垂直奇偶校验与水平奇偶校验的组合，其发现差错的能力很强。这种码是将若干码字排列成矩阵，在每行和每列的末尾均加监督码(奇监督或偶监督)。,例如,1100101100010100110001011000011001110101为用户要发送的信息序列，现将每8个码元分成一组编成方阵，对方阵的行与列都进行偶数监督，则在发送端编成如表6-2所示的方阵。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,41,该码对每行或每列的奇数或偶数个错都能检验出来，且可以确定仅一行或一列出现奇数个错的误码的位置并纠正之，但这种码对构成2m2n方阵的错误无法检测出来，如图所示。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,42,XXXXXXXOXXXXXXXOXXXXXOXXXXXXXOXXXXXXXOXXXXXOXXXXXXXOOOOOOOOO二维奇偶监督码的结构,图中，“X”表示信息位，“O”表示监督位，如“”所示的位置上出现差错，差错数正好为4的倍数，且差错位于构成矩形的四个角上，则二维奇偶监督码不能检测出错误。,差错数正好为4的倍数的情况,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,43,循环冗余码CRC,CRC是一种较为复杂的校验方法，它先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算，并根据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去。接收端接收数据后，将包括校验码在内的数据帧再与约定的数据进行除法运算，若余数为“0”，就表示接收的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,44,循环冗余码原理,CRC码又称为多项式码。这是因为任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。例如，代码1011011对应的多项式为x6+x4+x3+x+1，而多项式x5+x4+x2+x对应的代码为110110。并且，CRC码在发送端编码和接收端校验时都可以利用一事先约定的生成多项式G（x）来进行。k位要发送的信息位可对应于一个（k-1）次多项式K（x），r位冗余位对应于一个（r-1）次多项式R（x）。由k位信息位后面加上r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应于一个（n-1）次多项式T（x）=xrK(x)+R(x)。,（1）生成多项式,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,45,在CRC校验时，发送和接收应使用相同的除数多项式G（X），称为生成多项式。CRC生成多项式由协议规定，目前已有多种生成多项式列入到国际标准中，例如以下几种：,CRC12G(X)=X12+X11+X3+X2+X+1CRC16G(X)=X16+X15+X2+1CRCCCITTG(X)=X16+X12+X5+1CRC32G(X)=X32+X26+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1,（2）CRC检验和信息编码的求取方法,设r为生成多项式G(X)的阶在数据多项式M(X)的后面附加r个“0”，得到一个新的多项式M(X)。用模2除法求得M(X)/G(X)的余数。将该余数直接附加在原数据多项式M(X)的系数序列的后面，结果即为最后要发送的检验和信息编码多项式T(X)。,（1）生成多项式,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,46,多项式以2为模运算，加法不进位，减法不借位。加法和减法两者都与异或运算相同。长除法同二进制运算是一样的，只是做减法时按模2进行，如果减出的值的最高位为0，则商0；如果减出的值的最高位为1，则商1。,下面举例说明数据编码多项式T(X)的具体求法：,例：假设准备发送的数据信息码是1101011011，生成多项式G(X)=X4+X+1，计算信息编码多项式T(X)。,解：M(X)=1101011011G(X)=10011r=4信息码附加4个0后形成新的多项式M(X)：11010110110000用模2除法求M(X)/G(X)余数的过程为：,（3）CRC校验中求余数的除法运算规则,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,47,将余数1110直接附加在M(X)的后面求得要传输的信息编码多项式T(X)=11010110111110。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,48,CRC的结构,T(X)=11010110111110,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,49,循环冗余编码工作原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,50,CRC检错方法举例1,接收方检验过程,发送方生成检验码过程,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,51,方法举例2,接收方检验过程,发送方生成检验码过程,G（x）,R（x）检验码,结果为0,接收过来的信息码,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,52,CRC校验码的检错能力,CRC校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错；CRC校验码能以1-（1/2）K-1的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,53,3.3数据交换技术电路交换,电路交换（CircuitSwitching）也称为线路交换，是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,54,电路交换方式的工作原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,55,电路交换通信的三个阶段,电路建立通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接过程，这个过程建立起一条由源节点到目的节点传输通道。数据传输电路建立完成后，就可以在这条临时的专用电路上传输数据，通常为全双工传输。电路拆除在完成数据传输后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信，若目的节点接受释放请求，则发回释放应答信息。在电路拆除阶段，各节点相应地拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的节点和信道资源。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,56,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,57,电路交换的特点,呼叫建立时间长且存在呼损。电路交换的信道利用率低。对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。适用于实时大批量连续的数据传输。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,58,数据交换技术存储转发交换,存储转发交换（StoreandForwardSwitching）报文存储转发交换报文分组存储转发交换数据报虚电路,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,59,报文存储转发交换,对于数字数据通信，广泛使用的是报文交换技术;在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。并且对收发的报文进行相应的处理。,报文和报文分组结构,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,60,报文交换的特点,源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路；与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延；电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据；要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当；数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错和纠错。由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,61,分组交换,分组交换属于“存储/转发”交换，它不像报文交换以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（Packet）为单位进行交换传输。假如A站有一份比较长的报文要发送给C站。则它首先将报文按规定长度划分成若干分组，每个分组附加上地址及纠错等其他信息，然后将这些分组顺序发送到交换网的节点C。分组交换又分为数据报交换和虚电路交换。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,62,数据报分组交换,交换网把进网的任一分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的“小报文”被称为数据报（datagram）。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,63,数据报分组交换的特点,同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象；每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址；使用数据报方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,64,虚电路分组交换,虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，用户不需要发送和接收数据时清除连接。虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，在计算机网络中得到广泛的应用。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,65,虚电路的特点,虚电路在每次报文分组发送之前，必须在源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，也包括虚电路建立、数据传输和虚电路拆除三个阶段。报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需要携带虚电路标识号。报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序的现象；报文分组通过每个虚电路上的节点时，节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,66,1ATM的定义和特点（1）定义异步转移模式（ATM）已被ITU-T于1992年6月定义为未来宽带综合业务数字网络（B-ISDN）的传递模式。术语“转移”包括传输和交换两个方面，所以转移模式意味着信息在网络中传输和交换的方式。“异步”是指接续和用户带宽分配的方式。因此，ATM就是在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信量的技术。,3.3.2ATM的异步交换原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,67,ATM概念可以由下面几个方面定义。所有信息在ATM网中以称为信元（cell）的固定长度数据单元格式传送，信元由首标（header）和信息域（payload）组成。ATM是面向连接的技术，同一虚接续中的信元顺序保持不变。通信资源可以产生所需的信元，每一信元都具有接续识别的标号（位于首标域）。,ATM的定义和特点,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,68,信息域被透明传送，它不执行差错控制。信元流被异步时分多路复用。（2）ATM的特点协议简单，可通过硬件实现。具有协议处理速度快和时延小的特点。固定长度的信元（53字节长度），不受数据类型的影响。,ATM的定义和特点,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,69,具有多媒体传输的特点。采用统计复用的方法，具有动态分配带宽的能力。有效地跨接LAN和WAM的高速互连网技术。ATM交换既有电路交换的特点，又有分组交换的特点，它代表了交换技术的最高水平。,ATM的定义和特点,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,70,先回顾一下TDM中所使用的固定时隙交换技术。在这种交换技术中，用户数据在交换前的输入帧中的位置与其在交换后的输出帧中的位置一般是不同的。在ATM中，交换也是固定时隙的。当输入帧进入ATM交换机后，要在缓存器中进行缓存，并根据输出帧中时隙的空闲情况，随机地占用某一个或若干个时隙，而且，所占用的若干时隙并不要求相邻。,2ATM的异步交换原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,71,信元的概念（1）信元结构ATM信元（Cell）是ATM的具有固定大小的基本数据单元。在宽带网络中，ATM信元中净荷域所承载的信息只进行透明传输，信元本身的格式与具体的业务类型无关。（2）信元的优点将使用信元形式传输的网络称为信元网络。,2ATM的异步交换原理,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,72,（1）虚连接ATM是面向连接的传输模式。但ATM的连接是“临时”的，用户在呼叫期间并不独占物理通道（的一部分），而是逻辑上的虚连接，故称虚电路。用户间的信元传输必须在虚电路建立之后，才能进行；信元按序发送，并按序到达目的终端；且各虚电路拥有自己（在呼叫建立期间协商好）的业务性能参数。信元形式的ATM网络和分组形式的传统数据网络的本质区别之一就是ATM网络采用面向连接的呼叫接续方式，所以要在ATM信元头中需要一个标识来标明每一个信元是属于哪一个连接。,虚通道（VP）与虚通路（VC）,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,73,（2）虚通路（VP）由于ATM是以53字节长的信元为单位，可以设定任意容量的通道，通常称此通道为虚通道（VirtualPath，VP）。（3）虚通道（VC）在ATM中的电路称为虚通路（VC），它是以53字节的信元为单位可设定任意速率，而且可以改变速率。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,74,一个VP又由上千个虚通道VC（VirtualChannel）所复用。ATM信元的交换既可以在VP级进行，也可以在VC级进行。虚通路VP和虚通道VC都是用来描述ATM信元单向传输的路由。每个VP可以用复用方式容纳多达65536个VC，属于同一VC的信元群拥有相同的虚通道识别符VCI（VCIdentifier），属于同一VP的不同VC拥有相同的虚通路识别符VPI，VCI和VPI都作为信元头的一部分与信元同时传输。传输通道、虚通路VP、虚通道VC是ATM中的三个重要概念，其关系如下图所示。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,75,图传输通道、虚通路VP、虚通道VC的关系,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,76,（1）ATM协议参考模型ATM协议参考模型是基于ITU-T的标准产生的，如下图所示。它由三个面组成：控制面（Control）、用户面（User）和管理面（Managerment）。,4ATM体系结构,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,77,图ATM协议参考模型,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,78,各层主要功能ATM层：ATM层主要执行交换、路由选择和多路复用。AAL层（ATM适配层）：AAL层主要是将业务信息适配到ATM信息流，应用特定业务在通话端ATM适配层提供。物理层：它在相邻ATM层间传递ATM信元。,（2）ATM协议结构与各层功能,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,79,（3）ATM的AAL业务分类ATM网支持接入的各种业务具有不同的业务特性，其差别表现在三个方面：信源速率、信源与信宿的业务时钟是否要求同步和连接方式。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,80,ATM技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输，这些都是在虚通路（VP）进行的。ATM信元的路由策略,5.ATM信元的复用（虚连接）与交换,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,81,(1)ATM的两种虚连接,永久虚连接（PVC：PermanentVirtualConnection）：是一种静态虚连接，必须手工配置。其优点是，不必每次呼叫都进行虚连接配置，所以连接快（小于30us），仅由系统响应时间决定。其缺点是，这些PVC必须手工配置，不能进行大量PVC配置。动态虚连接（SVC：SwitchedVirtualConnection），又称交换虚连接：是一种动态的虚连接，由终端用户或终端应用发起连接请求，系统临时建立。连接时间由ATM网络决定，在系统拥塞时可能失败。但SVC比PVC具有更高的QoS适应性和带宽利用率。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,82,如图表示了VP交换与VC交换的基本概念。从交换功能方面，ATM实体具有VP交换，VC交换，或兼而有之。由图可见，VP交换时，VPI值要变换，而其中的VCI都不变。VC交换时，则VCI和VPI都要变换。所谓ATM实体就是实现VP交换、VC交换的ATM交换机或ATM交叉连接器。,（2）VP交换与VC交换,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,83,图VP交换与VC交换,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,84,ATM信元的标头结构,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,85,ATM信元的标头结构,VPI：为虚通路标识符，用来识别属于哪一条路径的信元；VCI：为虚通道标识符，用来区分不同业务流的信元：PT：为净荷类型，标明后面48字节信息的类型；RES：为保留位，待用；CLP：为信元丢弃优先级标志；HEC：为信头误码控制；GFC：为一般流量控制。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,86,ATM交换机的构成,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,87,入线处理部件和出线处理部件,入线处理部件对各条入线上送来的ATM信元进行处理，使这些信元成为适合送到ATM交换单元的形式。而出线处理部件对ATM交换单元送出的ATM信元进行处理，使这些信元成为适合在出线上传输的形式。因为在ATM交换单元中为了提高交换速度，常常是需要一次读入若干比特的并行信号，而在通信线路上往往传送的是串行信号。并且，宽带通信线路常用光缆，在光缆上传送的是光信号，而在ATM交换单元中一般只处理电信号，所以必须对信号进行光电、电光转换。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,88,ATM交换单元,用来完成交换动作的任务，就是把入线上的ATM信元，按照标头中不同的VPIVCI路由识别信息，依据快速分组交换机理，将信元转送到相应的各条出线上去。如果一个ATM交换单元有M条入线和N条出线，就称它是一个MN的交换单元。一般情况下，M和N常常是相等的。当然，M和N越大，它的容量就越大。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,89,ATM控制单元,负责对ATM的交换单元进行控制，除了起建立和撤除虚线路和虚通道的功能以外，它还应能够接收信令信元和运行维护信元，并通过对这些信元的处理来产生合适的控制信号送给交换单元。由于所有的信息在宽带交换网中传递并以ATM信元的形式出现，因此当对用户线上送来一个信令信元做出应答时，或者要对其交换机及终端设备发送命令时，ATM控制单元应有发送和接收ATM信元的能力，以及在内部要有快速地进行各种逻辑分析和处理的能力。,2019/11/22,河北科技师范学院计算机系,90,ATM网络结构ATM网络的概念性结构如图6-32所示，它包括公用ATM网络和专用ATM网络两部分。公用ATM网络属于电信公用网，它由电信部门建立、管理和运营，可以连接各种专用ATM网及ATM用户终端，作为骨干网络使用。专用A