第2章网络数据通信基础OK.ppt

计算机网络实用教程 第2章网络数据通信基础 本章主要章节有 2 1数据通信基础知识2 2数据传输2 3数据编码与纠错2 4多路复用技术2 5数据交换技术2 6传输介质 2 1数据通信基础知识 通信 communicate 是指通信双方通过某种方式或媒介进行的信息交流与传递 科技发展使通信逐渐实现电子化 现阶段的通信可被理解为 利用电子等技术手段 借助电 光信号实现从一地向另一地消息的有效传递和交换 网络数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信 其传送数据的目的不仅仅是为了交换数据 更主要是为了利用计算机来处理数据 可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理 加工及存储的计算机技术相结合 从而给用户提供及时准确的数据 数据通信系统是通信系统的一种 因此 先了解一下通信系统的知识 2 1数据通信基础知识 2 1 1信息 数据和信号信息 是客观事物状态与运动特征的一种描述 形式多种多样 可以是文字 数字 声音 图形 图像等 数据 运送信息的实体 从数据通信的角度来看 数据可以被定义为计算机可识别的任何有意义的实体 在数据通信中 数据的形式多种多样 比如文字文本 图形 电子表格 数据库文件 音频或视频文件 电子邮件等在不同的应用场合 同一形式的数据可以有不同的解释和内涵的信息 按照取值的方式 数据可以分为模拟数据和数字数据两种形式 信号是数据的具体物理表现 是数据的电磁或电子编码 信号在通信系统中可以分为模拟信号和数字信号 如图所示 数字信号与模拟信号图示 2 1 2通信系统组成 1 通信系统的一般模型通信的目的是实现消息的交流与传递 由于设备的具体构造 系统业务功能及实现技术上存在差异 不同的通信系统具有各自独有的构成环节 但任何形式的通信系统均可按通信系统的原理组成概括成统一的系统模型 以简单的点对点通信为例 如图所示通信系统模型 上图可见 通信系统模型基本包括五个部分 信源 调制 信道 解调 信宿 各部分功能如下 信源 也称信息源或发终端 它的作用是将信息转换成原始电信号 电信号作为信息的表现形式携带着待传输的信息 发送设备 将信源和信道匹配起来 即对信源产生的原始电信号进行某种变换 使其适合在信道中传输 在需要频谱搬移的场合 调制是最常见的变换方式 信道 信号的传输的物理通道 信号通过信道进行传输 噪声 是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合 接收设备 功能与发送设备相反 即进行解调 译码 解码等 是发送设备进行变换的反变换 即将接收到的信号进行与调制器相反的变换 还原为原始的信息 送给信息接收者 信宿 信宿 也称受信者或收终端 是信息的接收者 它的作用是将复原的原始电信号转换成相应的消息 例如电话机将对方传来的电信号还原成了人的语音 2 模拟通信系统一般地 信道中传输的是模拟信号的系统称为模拟通信系统 模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成 这里 一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器 解调器所代替 目的是将基带信号转换其频带适合在信道传输的信号也就是调制 对于模拟通信系统 它主要包含两种重要变换 一是把连续消息变换成电信号 发端信源完成 和把电信号恢复成最初的连续消息 收端信宿完成 由信源输出的电信号 基带信号 由于它具有频率较低的频谱分量 一般不能直接作为传输信号而送到信道中去 因此 模拟通信系统里常有第二种变换 即将基带信号转换成其适合信道传输的信号 这一变换由调制器完成 在收端同样需经相反的变换 它由解调器完成 经过调制后的信号通常称为已调信号 已调信号有三个基本特性 一是携带有消息 二是适合在信道中传输 三是频谱具有带通形式 且中心频率远离零频 因而已调信号又常称为频带信号 3 数字通信系统信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统 数字通信的基本特征是 它所传输的消息或信号具有 离散 或 数字 的特性 从而使数字通信具有许多特殊的问题 系统的基本模型也比传统的模拟通信系统的模型要复杂 数字通信系统概括成一个统一的模型可用下图 图2 4数字通信系统模型 数字通信系统基本模型的各部分功能 信源编码与译码 信源编码有两个作用 其一 进行模 数变换 其二 设法降低数字信号的数码率 即数据压缩 信源译码是信源编码的逆过程 信道编码与译码 数字信号在信道中传输时 由于噪声 干扰等的影响 会造成差错 信道编码是在原来的数字序列中引入某些作为差错控制的码字 以实现自动检错和纠错 当然这时会降低信息传输速率 使数字信号适应信道所进行的变换称为信道编码 信道编码的目的就是提高通信系统抗干扰能力 尽可能的控制差错 实现可靠通信 加密与解密 为了保证所传信息的安全 可有效的对基带信号进行人为扰乱 即加上密码 这叫加密 在接收端就需要对收到的信号进行解密 调制与解调 数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适合于信道传输的数字调制信号 已调信号或频带信号 数字解调是数字调制的逆过程 数字通信特点1 抗干扰能力强 2 采用差错控制技术 改善传输质量 3 易于加密处理 4 易于存储 处理和交换 5 设备易于集成 6 占用信道频带较宽 7 易于与现代技术相结合构成综合数字网和综合业务数字网 2 2数据传输 从通信双方的分工及数据传输方向的不同角度考虑问题 数据传输通常有以下几种 1 按消息传送的方向与时间分对于点对点之间的通信 按消息传送的方向与时间 通信方式可分为单工通信 半双工通信及全双工通信三种 1 单工通信 消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式 即在某一时间通信双方只能进行一种通信工作的方式 单工通信的例子很多 如广播 遥控 无线寻呼等 2 半双工通信方式 通信双方都能收发消息 但不能同时进行收和发的工作方式 对讲机 收发报机等都是这种通信方式 3 全双工通信 通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式 在这种方式下 双方都可同时进行收发消息 互不干扰 生活中如电话 手机等均属于全双工通信 2 按数据排序方式分在通信中 按照数据排列顺序的方式不同 可将传输方式分为串行传输和并行传输 1 串行传输 将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方式 2 并行传输 将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输的通信方式 3 按通信网络形式分通信的网络形式通常可分为三种 点对点直通方式 分支方式和交换方式 如图所示 a 点对点直通方式 b 分支方式 c 交换方式 4 按被传输的数据信号的特点分按被传输的数据信号的特点 可以将数据传输方式分为基带传输 频带传输和数字数据传输 基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示 然后送到线路上去传输 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号数字基带传输通信系统模型 2 3数据编码与纠错 所谓的编码就是用二进制码组表示有固定电平的量化值 实际上量化是在编码过程中同时完成的 由于二进制码具有较高的抗干扰能力 并易于再生 因此在信源编码中一般采用二进制码 在通信系统中 根据不同的目的 编码可分为信源编码和信道编码 即误差控制编码 信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码 而信道编码是为了降低误码率 提高数字通信的可靠性而采取的编码 信源编码 广义地说就是对输出信号的变换 即把信源输出的信号变换成适宜于信道传送的信号 一般信源输出的每个符号所能载荷的信息量远大于该信源符号的实际信息量 因此信源编码的主要目标是压缩每个信源符号的平均比特数或信源误码率 提高传输效率 信源编码的功能是将模拟信号变换成数字信号 即完成模数变换的任务 以避免模拟信号在传输过程中的失真现象 且能够实现信源的无失真恢复 对信源编码的要求是在保持原有信号真实性的前提下尽量减少信号的比特率 根据压缩编码的实现方式 可将信源压缩编码方法分为统计编码 预测编码 变换编码和识别编码 如下表所示 统计编码 是指利用消息或消息序列出现概率的分布特性 寻找其出现概率与码字长度间的最佳匹配 也成概率匹配编码 其目的是使总的代码长度最短 预测编码 是利用信号之间的相关醒来预测未来的信号 通过对预测的误差进行编码来压缩数据量 变换编码 是一种非常有效的现实真编码方法 其基本思想是利用信号都在不同函数空间分布的不同 选择合适的函数变换 将信号从一种信号空间变换到另一种更有利于进行压缩编码 然后再对变换系数进行编码 识别编码 是通过对信号的特征进行分解 与汇集这些基本特性的样本进行比较对照识别 选择失真最小的样本编码 识别编码的效率很高 是压缩编码研究的热点之一 码型指的是代码的编码规律 即把量化后的所有量化级 按其量化电平的大小次序排列起来 并列出各对应的码字 这种对应关系的整体就称为码型 在信源编码中常用的二进制码型有三种 自然二进制码 折叠二进制码和反射二进制码 又称格雷码 表2 2列出了用4位二进制码表示16个量化级时的这3种码型 1 自然二进码 从左至右其权值分别为8 4 2 1 故有时也被称为8 4 2 1二进制码 它是一般的十进制正整数的二进制表示 编码简单 易记 而且译码可以逐比特独立进行 如设二进码为 则便是其对应的十进数 表示量化电平值 这种 可加性 可简化译码器的结构 2 折叠二进码 折叠码是由自然二进码演变而来的一种符号幅度码 是目前A律13折线PCM30 32路设备所采用的码型 折叠码的左边第一位表示信号的极性 信号为正用 1 表示 信号为负用 0 表示 从第二位起至最后一位表示信号的幅度 其幅度码从小到大按自然二进码规则编码 由于正 负绝对值相同时 折叠码的上半部分与下半部分相对于零电平对称折叠 对于双极性信号 如话音信号 只要正 负极性信号的绝对值相同 则可采用单极性编进行 编码 大大简化编码过程 且在传输过程中出现的误码 对小信号影响较小 在PCM通信编码中 采用折叠二进码 3 格雷二进码 按照即相邻两组码的码距均为1而构成的码型为格雷二进码 这里的码距是指两个码字的对应码位取不同码符的位数 2 3 2纠错数字信号在传输过程中 加性噪声 码间串扰等都会产生误码 为了减少差错 提高系统的抗干扰性能 最主要的方法是采用信道编码技术 信道编码又称差错控制编码或纠错编码 差错控制编码的基本原理是根据信息码元的变化规律 在发送端的被传输信息序列上附加上一些监督码元 这些多余的监督码元与信息码元之间 以某种特定的规则相关联 一旦发生误码 接收端可利用既定的规则来实现检出错误和纠正错误 差错控制有三种方式 检错重发方式 自动重发方式 ARQ 前向纠错方式 FEC 混合纠错方式 HEC 1 自动请求重发 ARQ 接收端检测到接收信息有错时 通过重发发送端保存的副本以达到纠错的目的 2 前向纠错 FEC 接收端检测到接收信息有错后 通过计算 确定差错的位置 并自动加以纠正 3 混合方式 接收端采取纠错混合 在ATM中应用 即对少量差错予以自动纠正 而超过其纠正能力的差错则通过重发原信息的方法加以纠正 不论哪种控制差错方式 都是以降低实际传输效率来提高其传输可靠性的 因此 在信道特性已经确定的条件下 差错控制的基本任务是寻求简单 有效的方法 确保系统的可靠性 目前 编码方式按码的构型可分为分组码和卷积码 常用的分组码有恒比码 垂直水平奇偶校验码 记数校验码 斜校法校验码 循环冗余校验码 其中 循环冗余校验码在数据链路控制中的应用最为普遍 而卷积码则在前向纠错系统中应用较多 本节着重介绍奇偶校验码和循环冗余校验码 简称循环冗余码 1奇偶校验码奇偶校验码可分为奇校验码和偶校验码 两者的校验原理相同 在偶校验码中 校验位为1位 比特 其校验规则为 加入校验位后的码字所包含的总的 1 的个数为偶数 即例如 ASCII码字中大写字母A的二进制7比特为1000001 左为D7 右为D1 1的个数为偶数 因此为确保加入校验位D8后的码字所含总的 1 应为偶数 则校验位D8必为0 同理 奇校验码的校验规则是 加入校验位后的码字所包含的总的 1 的个数为奇数 即如仍将上例说明 为确保加入校验位D8后的码字所含总的 1 应为奇数 则校验位D8必为1 奇偶校验码简单实用 但检错能力有限 一般只能检出奇数个出错码元 不适宜检测突发性差错 在此基础上 人们又进而提出了垂直水平奇偶校验码 记数校验码 斜校法校验码等 它们都属于二维奇偶校验码 适用于检测突发差错 2海明码海明码是由R Hamming在1950年提出的一种特殊的线性分组码 它可以纠正1位出错的比特 其基本编码规则是 若码长为n 信息位为k 则附加r位冗余信息 也称监督位或校验位 其中每个校验位与某几个特定的信息位构成偶校验的关系 接收端对这r个奇偶关系进行校验 即将每个校验位和与它关联的信息位进行相加 异或 相加的结果称为校正因子 如果没有错误的话 这r个校正因子都为0 如果有一个错误 则校正因子不会全为0 根据校正因子的不同取值 可以知道错误发生在码字的哪一个位置上 若要求用r个校验位构造出r个校验关系式来指出一位出错码的n种可能的位置 必须满足下列条件 2r n 1 即2r k r 1现以k 4为例来说明海明码的构造方法 如要满足上面不等式 则有r 3 如取r 3 则n k r 7 常记作 n k 现以c6c5c4 c0表示例中的7个码元 用S1 S2 S3表示三个校验关系式中的校正因子 则海明码中S1 S2 S3的值与出错码位置的对应关系如下表所示 也可定成另一种对应关系 不会影响其一般性 校正因子与出错码位置的对应关系表 从上表可知 仅当一个出错码位于c6 c5 c4和c2时 校正因子S1为1 否则S1为0 可求得c6 c5 c4 c2四个码元形成的偶校验关系 同理 可得c6 c5 c3 c1和c6 c4 c3 c0两组四个码元形成的偶校验关系如下 在发送端的信息位c6 c5 c4和c3的值取决于输入数据 是随机的 而校验位c2 c1 c0则根据信息位的值按校验位关系式确定 若编成的码组中无差错 那么校验位应使S1 S2 S3值均为0 可得 上式经移项后 可求出校验位生成式 例如 对于一段信息1000 按校验位生成式可得 c2 1 c1 1 c0 1 于是发送端发送的码字是1000111 假如在接收端收到码字0000111 按以上校正因子的计算式可得 S1 1 S2 1 S3 1 三个校正因子不全为0 说明有错 错误位置为S S1S2S3 111 7 即信息位c6有错 将c6上的0变为1 即可纠正错误 最后去掉校验位 得到正确信息为1000 上述海明码的码长为7比特 其中信息为4比特 因此 7 4 海明码其编码效率为4 7 如果取信息位数为7 可求得r 4 取r 4 则码字长度为11 根据上面介绍的方法同样可以求得 11 7 海明码的码表 11 7 海明码的编码效率为7 11 可见 信息位越长 编码效率越高 3 循环冗余校验码 1 循环冗余码 CRC 的特性循环冗余码是一种分组码 它有两个特性 1 一种码中的任何两个码字按模2相加后 形成的新序列仍为一个码字 若两个相同码字相加则得一个全0序列 因此 循环码一定包含全0码字 具有这种封闭特性的循环冗余码称为线性码 2 一码字的每次循环移位一定也是码集合中的另一个码字 设有一个 n k 线性码 其中每一个码字表示为U U0 U1 U2 Ui Un 2 Un 1 式中Ui为 0 或 1 如果U循环右移1位所得码字为U Un 1 U0 U1 U2 Ui Un 2 则循环后的码字也为码集合中的码字 称为循环特性 根据以上两个特性 循环冗余码可把码字表示为n 1次幂的多项式 U x Un 1xn 1 Un 2xn 2 U2x2 U1x U0 式中 系数Un 1 Un 2 U1 U0为码组中相应码元的值 0或1 x为延迟因子 表示单位时延 向左移1位 相当于多项式各项乘以x 并且满足xn 1 则原来最高幂次项Un 1xn 1左移后成了幂次最低的一项 一个循环冗余码 n k 有且仅有一个生成多项式G x 上述两个特性可概括为每一码字多项式U x 都可以表示码生成多项式的倍式 即U x i x G x 模 xn 1 式中 i x 表示倍式因子 2 4多路复用技术 多路复用技术史把许多个点个信号在同一个信道上同时传输的技术 多路信号沿同一信道传输而互不干扰 实现了信道资源的共享 是一种共享技术 多路复用技术根据合并与区分各信号的方法不同可分为频分多路复用 时分多路复用 码分复用和波分多路复用2 4 1频分多路复用 FDM 技术在通信系统中 信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多 为避免造成信道浪费 能充分利用信道的带宽 多采用频分复用的方法 频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 简称频分复用 它是一种将载波带宽划分为多种不同频带的子信道 每个子信道可以并行传送一路信号的技术 这种方法起源于电话系统 按照ITU InternationalTelecommunicationUnion 的建议 每12个电话话路构成一个基群 Group 占用60 108kHz的频带 每5个基群在一起构成一个60路的超群 Super Group 占用312 552kHz的频带等 如电力载波系统 现有有线电视网 广播 ADSL宽带技术等 新发展的技术有正交频分复用 OFDM 编码正交频分复用 COFDM 2 4 2时分复用 TDM 技术 在频分复用 FDM 系统中 各信号在频域上是分开的 而在时域上是混叠在一起的 而在时分复用 TDM 系统中 则恰恰相反 各信号在时域上是分开的 而在频域上是混叠在一起的 时分多路复用的基本实现原理就是把时间分成一段段登场的时分复用帧 TDM帧 每一个TDM帧中占用固定序号的时隙 每一用户算占的时隙是周期出现的 其周期就是TDM帧的长度 将各路信号的传输时间分配在不同的时隙内 使多路信号能互相分开 互不干扰 分割开的多路信号经混合后再在线路上传输 从而实现了多路复用 时分多路复用建立在抽样定理基础上 抽样定理使连续的基带信号变成在时间上离散的抽样脉冲 当抽样脉冲占据较短时间时 抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间便会留有很大的时间空隙 若在这些时间空隙中插入若干路其他抽样信号 只要保证各路抽样信号在时间上互不重叠并能相互区分开 那么一个信道就有可能同时传输多路信号 达到多路复用的目的 需要说明的是 时间参量是时分多路复用进行信号分割的参量 因此要求各路信号在时间轴上必须互不重叠 每路数据总使用一个时间片的固定时隙的时分复用方式称为 同步时分复用 时分复用用于计算机通信可能会造成线路资源的浪费2 4 3码分复用 CDM 技术码分多路复用CodeDivisionMultiplexing 是指利用一组不同的 互为正交的码序列来区分各路信号 从而实现互不干扰的多路信号传输 各路信号码元使用相同的载波频率 占用相同的频带 发射时间是任意的 即在频率和时间上都是相互重叠的 但代表每个码元的码组是正交的 实现现码分复用的理论依据是利用自相关函数抑制互相关函数的特性来选取正交信号码组中的所需信号 因此 码分复用也称为正交复用 码分多路复用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 但由于通过码型的不同进行信道分割 即每个用户分配一个地址码 各个码型互不重叠 因此通信各方之间不会相互干扰 且抗干拢能力强 码分复用最初是用于军事通信 随着技术的进步 CDMA设备的价格和体积都大幅度下降 码分多路复用技术现已广泛使用于无线通信系统 特别是移动通信系统 它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响 而且增大了通信系统的容量 是使用GSM的4 5倍 降低手机的平均发射功率 现在的笔记本电脑或个人数字助理 PersonalDataAssistant PDA 以及掌上电脑 HandedPersonalCOmputer HPC 等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术 2 4 4波分复用技术 WDM 技术波分复用 WavelengthDivisionMultiplexing 是一种在一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号的技术 WDM应用于光纤信道 传统的点到点光纤传输方式中每根光纤只使用单个波长 例如前面讨论的SDH 为了充分利用单模光纤巨大的带宽资源 可以根据光波波长的不同 将单模光纤低损耗窗口划分为若干个信道 把光波作为信号的载波 实现多路信号的传输 这种采用光波波长的复用方法称为波分复用 波分复用就是光的频分复用 波分复用 WDM 是将两种或多种不同波长的光载波信号 携带各种信息 在发送端经复用器 亦称合波器 Multiplexer 汇合在一起 并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术 在接收端 经解复用器 亦称分波器或称去复用器 Demultiplexer 将各种波长的光载波分离 然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号 WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术 每个波长通路通过频域的分割实现 每个波长通路占用一段光纤的带宽 WDM系统采用的波长都是不同的 也就是特定标准波长 为了区别于SDH系统普通波长 有时又称为彩色光接口 而称普通光系统的光接口为 白色光口 或 白光口 WDM和FDM基本上都基于相同原理 所不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程 如图所示 而FDM应用于电模拟传输 包含衍射光栅 DiffractionGrating 的WDM光纤系统完全不活跃 这一点与电FDM不同 因此它具有高度可靠性能 而且每个WDM光纤信道的载波频率是FDM载波频率的百万倍 2 5数据交换技术 数据通信系统中 当计算机与计算机之间或者终端与计算机之间 不是直通直接互联 而是要经过通信子网的接续过程来建立连接的时候 通信子网中若干节点转接而形成 交换线路 这就是两端系统之间的传输通路 通常 网络系统所采用的数据交换技术有两种 电路交换 存储转发交换 电路交换 线路交换 电路交换的三个阶段 建立连接 占用通信资源 通信 一直占用通信资源 释放连接 归还通信资源 电路交换方式要求通信双方之间建立一条被双方独占的真实的物理通路 用以双方的数据交换 这条通路由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成 并一直存在直到通信结束后才被拆除 电路交换适于数据传输要求质量高 批量大的情况 典型的电路交换系统是电话通信网络 电路交换的优点是 1 时延小 由于通信线路为通信双方用户专用 数据直达 所以传输数据的时延非常小 2 实时性强 通信双方之间的物理通路一旦建立 双方可以随时通信 3 双方通信时按发送顺序传送数据 不存在失序问题 4 设备简单 电路交换的交换设备 交换机等 及控制均较简单 缺点 1 电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长 2 电路交换连接建立后 物理通路被通信双方独占 即使通信线路空闲 也不能供其他用户使用 因而信道利用低 3 系统不具有存储数据的能力 不具备差错控制能力 无法发现和纠正传输过程中的数据差错 2 报文交换报文是数据传输的单位 报文携带有目标地址 源地址等信息 长度可变 数据传送过程采用存储 转发的方式 发送的报文在途经节点是 节点根据报文上的地址信息 将报文转发到下一个节点 接力式的完成整个传送过程 每个节点在受到报文后 会将之暂存并检查有无错误 然后通过路由信息找出适当路线的下一个节点的地址 再把报文传送给下一个节点 这个过程中 报文的传输只是占用两个节点之间的一段线路 而其他路段可传输其他用户的报文 于是 这种解决方案不会像电路交换占用终端间的全部信道 但是 报文在经过节点时会产生延迟 这段延迟包括接收报文所有位 bit 所需的时间 等待时间和发送到下一个节点所需的排队延迟 优点 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路 不存在连接建立时延 用户可随时发送报文 由于采用存储转发的传输方式 使之具有下列优点 a 在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施 加之交换结点还具有路径选择 就可以做到某条传输路径发生故障时 重新选择另一条路径传输数据 提高了传输的可靠性 b 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配 甚至收发双方可以不同时处于可用状态 这样就便于类型 规格和速度不同的计算机之间进行通信 c 提供多目标服务 即一个报文可以同时发送到多个目的地址 这在电路交换中是很难实现的 d 允许建立数据传输的优先级 使优先级高的报文优先转换 通信双方不是固定占有一条通信线路 而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路 因而大大提高了通信线路的利用率 缺点 由于数据进入交换结点后要经历存储 转发这一过程 从而引起转发时延 包括接收报文 检验正确性 排队 发送时间等 而且网络的通信量愈大 造成的时延就愈大 因此报文交换的实时性差 不适合传送实时或交互式业务的数据 报文交换只适用于数字信号 由于报文长度没有限制 而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文 当输出线路不空闲时 还可能要存储几个完整报文等待转发 要求网络中每个结点有较大的缓冲区 为了降低成本 减少结点的缓冲存储器的容量 有时要把等待转发的报文存在磁盘上 进一步增加了传送时延 3 分组交换报文组是数据传输的单位 报文组携带有目标地址 源地址等控制信息 包含在报文头里面 长度有一个上限 报文分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术 分为数据报交换和虚电路分组交换两种 1 数据报交换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 重复或丢失的现象 因此 在到达接收站之后还需对数据报进行排序重组每一个报文在传输过程中都必须有源节点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 不适用于长报文和会话式通信 2 虚电路分组交换虚电路是两个用户的终端设备在开始互相发送的接收数据之前需要通过通信网建立逻辑上的路径 发送数据时 所有的分组都沿着这条虚电路按顺序传送 虚电路方式是在交换节点之间建立路由 即在交换节点的路由表内创建一个表项 当交换节点收到一个分组后 它会检查路由表 按照匹配项的出口发送分组 分组交换除了具有报文的优点外 与报文交换相比有以下优缺点 优点 加速了数据在网络中的传输 因为分组是逐个传输 可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行 这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间 此外 传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多 这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多 简化了存储管理 因为分组的长度固定 相应的缓冲区的大小也固定 在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理 相对比较容易 减少了出错机率和重发数据量 因为分组较短 其出错机率必然减少 每次重发的数据量也就大大减少 这样不仅提高了可靠性 也减少了传输时延 由于分组短小 更适用于采用优先级策略 便于及时传送一些紧急数据 因此对于计算机之间的突发式的数据通信 分组交换显然更为合适些 缺点 尽管分组交换比报文交换的传输时延少 但仍存在存储转发时延 而且其结点交换机必须具有更强的处理能力 分组交换与报文交换一样 每个分组都要加上源 目的地址和分组编号等信息 使传送的信息量大约增大5 10 一定程度上降低了通信效率 增加了处理的时间 使控制复杂 时延增加 当分组交换采用数据报服务时 可能出现失序 丢失或重复分组 分组到达目的结点时 要对分组按编号进行排序等工作 增加了麻烦 若采用虚电路服务 虽无失序问题 但有呼叫建立 数据传输和虚电路释放三个过程 2 6传输介质 传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路 传输介质通常有线传输介质 光传输介质和无线传输介质三大类 有线传输介质主要是以金属材料为介质的双绞线和同轴电缆 光传输介质主要是光纤 无线传输主要是以大气为传输介质 每种传输介质所使用的频段资源如图所示 2 6 1有线传输介质 有线通信系统使用的以金属介质为主体的传输介质 在电气通信初期得到了广泛的应用 大至独立终端与中心计算机相连的网络中 小至计算机之间 从驱动器到功率放大器之间的连接线都在使用金属传输媒体 其代表为双绞线 同轴电缆等 20世纪70年代后期 光纤传送线路开始使用 光纤凭借信道损耗小 抗干扰能力强的优势逐渐成为现代通信的主要传输媒介 1 双绞线 TwistedPair 双绞线是由两根互相绝缘的铜导线并排放在一起 然后用规则的方法扭绞而构成的 它是早期通信阶段最古老 最常用的传输媒体 双绞线的这种 绞起来 的结构是为了更有效的防止电磁干扰 双绞线有屏蔽双绞线 STP 和非屏蔽双绞线 UTP 之分 屏蔽双绞线是在一对双绞线外面用金属筒缠绕 有的还在几对双绞线的外层用铜编织网包上 均用做屏蔽 最外层再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料 与无屏蔽双绞线相比 其误码率明显下降 约为10 6 10 8 但价格较贵 非屏蔽双绞线除少了屏蔽层外 与屏蔽双绞线相同 抗干扰能力较差 误码率高达10 5 10 6 但因其价格便宜而且安装方便 故广泛用于局域网中 双绞线电缆广泛应用于传统的通信领域 在计算机网络通信的早期阶段 点到点传输方式均使用双绞线电缆 随着技术的进步 双绞线电缆所能支持的通信速率不断提高 目前三类双绞线电缆能支持10Mbps100米 即10BASE T标准 五类双绞线支持100Mbps速率100米 即CDDI标准 它甚至能支持155Mbps的ATM速率 根据最新的研究结果 双绞线能支持600Mbps以上的速率2 同轴电缆 CoaxtalCabLe 双绞线本身在传输距离 信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制 而且容易引入电器噪声 因此在传送高频率的信号或进行长距离传送时多用同轴电缆 同轴电缆是一种非对称传输线 电流的去向和回向导体轴是相互重合的 在中心的内导体外包围一定厚度的绝缘介质 在介质外是管状外导体 外导体表面再用绝缘塑料保护 当信号通过电缆时 所建立的电磁场是封闭的 在导体的横切面周围没有电磁场 因此 内部信号对外界基本没有影响 电缆内部电场建立在中心导体和外导体之间 方向呈放射状 而磁场则是以中心导体为圆心 呈多个同心圆 这些场的方向和强弱随信号的方向和大小变化 同轴电缆常用于设备与设备之间的连接 或应用在总线型网络拓扑中 它与双绞线相比 同轴电缆的抗干扰能力强 屏蔽性能好 传输数据稳定 价格也便宜 而且它不用连接在集线器或交换机上即可使用 同轴电缆大部分都安装在设备与设备之间 在每一个用户位置上都装有一个连接器为用户提供接口 接口安装方法 细缆是将其切断 两头装上BNC头 然后接在T型连接器两端 粗缆是采用一种类似夹板的装置Tap进行安装 它利用Tap上的引导针 穿透电缆的绝缘层 直接与导体相连 为保持同轴电缆的正确电气特征 电缆必须接地 同时两头要有终端器来消弱信号反射作用 同轴细电缆的安装要相对简单一些 粗缆要略微复杂一点 一般都采用粗缆做干线 通过Tap接细缆 这样可以使设备的连接更容易 目前同轴电缆的传输率一般为10Mbps 最常见的同轴电缆如右表所示 3 光纤 光纤通常由透明的石英玻璃拉成细丝 主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体纤芯用来传导光波 包层较纤芯有较低的折射率 在进行光纤通信时 发送端可将发光二极管或半导体激光器设置为光源 在电脉冲的作用下产生光脉冲 接收端则利用光电二极管做成光检测器 在检测到光脉冲时可还原出电脉冲 有光脉冲相当于1 没有相当于0 由于可见光的频率非常高 约为每秒108量级 因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽 1 光纤传播模式当光线从高折射率的媒体折向低折射率的媒体时 其折射角将大于入射角 如果入射角足够大 就会出现全反射 即光线碰到包层时就会折回纤芯 以某一角度射入光纤端面 并能在纤芯 包层交界面上产生全反射的传播光线 称之为光的一个传输模式 当光纤的芯子直径较大时 则在光纤的受光角内 可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面 并在光纤中传播 这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤 沿光纤轴传播的叫作基模 其他依次为低次模 高次模等 当光纤芯直径很小时 光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过 这种只允许传输一个基模的光纤称为单模光纤 2 光纤损耗 由于制造光纤的基本材料是石英 SiO2 光波在光纤中传输会产生损耗 使光的功率逐渐下降 光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗 固有损耗是由于光纤吸收 散射和因结构不完善引起的 光纤存在气泡 杂质 粗细不匀等结构缺陷 造成芯 包层交界面的不均匀 不平滑 光线传到这些地方时 就会有一部分光散射到各个方向 形成损耗 附加损耗是指光纤在施工过程中弯曲 拉伸受力所造成一种可以避免的损耗 在光纤接头熔接时 若纤芯端面不平 轴心不垂直 对接芯径不匹配等均可造成熔接质量差 导致损耗 由于光纤非常细 连包层一起 其直径也不到0 2mm 故常将一至数百根光纤 再加上加强芯和填充物等 构成一条光缆 这样就可大大提高其机械强度 必要时还可放入远供电源线 最后加上包带层和外护套 即可满足工程施工的强度要求 我们通常称之为光缆 因此 光纤传输距离达到一定长度时需要中继 3 光纤中继器中继器 REPEATER 中继器是网络物理层上面的连接设备 适用于完全相同的两类网络的互连 主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发 来扩大网络传输的距离 中继器是对信号进行再生和还原的网络设备中继器可以连接两局域网的电缆 重新定时并再生电缆上的数字信号 然后发送出去 这些功能是OSI模型中第一层 物理层的典型功能 中继器的作用是增加局域网的覆盖区域 例如 以太网标准规定单段信号传输电缆的最大长度为500米 但利用中继器连接4段电缆后 以太网中信号传输电缆最长可达2000米 有些品牌的中继器可以连接不同物理介质的电缆段 如细同轴电缆和光缆 2 6 2无线传输介质 在实际的无线通信系统中 由于传输信号是以空间辐射的方式传输 因此必须考虑发送 接收传输信号的天线的接收能力 根据天线理论可知 只有当辐射天线的尺寸大于信号波长的1 10时 信号才能有效地辐射 这就是说 假设用1米的天线 辐射频率至少需要30MHz 而我们要传输的模拟信号或数字信号的频率很低 这势必需要很大的天线 因此传输信号在以模拟通信或数字通信方式进行传输前 必须首先经过调制 将其频谱搬移到合适的频谱范围内 再以无线电波的形式辐射出去 根据其使用的频率或波长的不同分为长波 中波 短波 微波通信等等 1 短波通信短波通信 Short waveCommunication 是无线电通信的一种 波长在50米 10米之间 频率范围6兆赫 30兆赫 发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备 通信距离较远 是远程通信的主要手段 由于电离层的高度和密度容易受昼夜 季节 气候等因素的影响 所以短波通信的稳定性较差 噪声较大 目前 它广泛应用于电报 电话 低速传真通信和广播等方面 短波通信之特点是 即使是不太强的无线电波也