计算机网络3数据通信基本原理.ppt

1 数据通信基本原理 第三章 2 传送介质数据通信模型数据传输数据编码数字数据通信技术多路复用技术数据交换技术 内容 3 3 1传输介质 3 1 1 简介 传输媒体 为什么要媒体 网络中的计算机想互相传送信息 就必须有传送信息的媒体 传输媒体是什么 传输媒体是收发双方之间进行通信的物理信号通路 传输媒体分类 有线 无线 4 常用于局域网的有线媒体有 双绞线 同轴电缆 光纤 常用的无线媒体有 无线电短波 微波 红外线 传输媒体选择要根据具体的环境通盘考虑 主要考虑的因素有 价格 安装难易程度 容量 抗干扰能力 衰减 5 无线电短波可以通过各种传输天线产生全方位广播或定向发射 短波的信号频率低于100MHz 用于低速传输 一个模拟话路每秒传几十到几百个比特 经过调制解调技术后 传输速率达到几千bps 无线电发射器决定了信号的频率及功率 微波数据通信系统有两种形式 地面微波接力通信 卫星通信 微波的频率范围为300MHz 300GHz 主要使用2 40GHz的频率范围 6 红外线 红外线传输建立在红外线的基础上 采用 发光二极管 激光三极管 光电二极管 能进行站点与站点之间的数据交换 红外线传输 可以进行点到点的通信 可以进行广播式通信 每一种媒体在局域网和广域网上的运行方式是不同的 在局域网传输媒体领域中 最令人鼓舞的发展是在纤维光学领域 7 双绞线普遍用于模拟和数字数据的传输媒体 在建筑物内将网络站点与中心节点连接起来的线路可以是双绞线 将电话机连接起来的线路可以是双绞线 双绞线可用于点到点和广播式网络中 3 1 2 双绞线 概述 8 双绞线的组成双绞线是由有规则的 螺旋状排列的两根绝缘导线组成的 这种导线是铜线或镀铜的钢线 铜提供良好的导电性 钢用来增加强度 一条电缆的构成一对线对起单条通信链路的作用 一般将这些线对捆在一起 封在一个坚硬的护套内 以构成一条电缆 电缆可以在较长距离内包含数百对线 单个线对绞在一起可减少线对之间的电磁干扰 物理描述 9 传输特征 对模拟信号 约每5 6km要有一个放大器 对低频数字信号 每2 3km需一个转发器 在双绞线上传输数据信号或基带信号 目前在局域网中可达100Mbps甚至更高 线对最普通的用途是声音的模拟传输 线对可用来传输模拟信号和数字信号 10 话音的频率分量为20Hz 20kHz 再现可理解的话音仅要求一个非常窄的频带 全双工话音信道的标准带宽为300 400MHz 在单个线对上 使用频分复用 FDM 时 可复用多条话音信道 每条信道占有4kHz的带宽 足以提供信道之间的间隔 使用带宽高达268kHz的双绞线 可提供高达24路的话音信道 使用调制解调器可在模拟话音信道上传输数字数据 现在的调制解调器 可以达到56Kbps的速率 11 对双绞线的特点 连接性和成本 在广播式网络中与同轴电缆相比 双绞线便宜易用 双绞线在点到点的网络中 则比同轴电缆 光纤便宜 若考虑安装等费用 它们大致相当 地域范围双绞线能够容易的实现点到点的数据传输 局域网的双绞线一般在一个建筑物内 抗扰性与其他传输媒体相比 双绞线在距离 带宽和数据速度方面受到限制 12 原因 这种媒体容易与电磁场耦合 故对干扰和噪声十分敏感 电缆中相邻线对上的信号也可能彼此干扰 即产生所谓的串音现象改进 如用金属编制物或护套来屏蔽导线可降低干扰 将导线绞起来可降低低频干扰 邻近线对采用不同的绞距可降低串扰等等评述 上述措施当波长远大于电缆的绞距时是有效的 对于低频传输来说 抗扰度可达到和同轴电缆一样大或更大 13 3 1 3 同轴电缆 概述 同轴电缆是局域网过去广泛使用的传输媒体 现在几乎完全被双绞线所取代 同轴电缆有两种类型 它们是 CATV系统中使用的75 电缆 且75 电缆主要用于 宽带FDM模拟信号 高速数字信号 不采用FDM的模拟信号 仅用于基带数字信号的50 电缆 14 物理描述 同轴电缆的组成 同轴电缆由两根导体组成 且由套置单根内导体的空心圆柱形导体构成 内导体是实芯的或者是绞的 并用规则间距的绝缘环或硬的电媒体材料来固定 外导体是整体的或纺织的 则用护套或屏蔽物包着 单条同轴电缆具有1cm至2 5cm的直径 15 传输特性 50 电缆专用于数字传输 一般使用曼彻斯特编码 数据速率可达10Mbps CATV电缆可用于 模拟信号 数字信号 16 模拟信号 频率可能高达300 400MHz CATV电缆上可以象传送视频和音频信号那样在传送模拟数据 每个电视信道分配6MHz的带宽 每个无线电信道需要的带宽大大低于这个带宽 用FDM可在一条电缆上荷载大量的信道 当用FDM时 CATV电缆称为宽带电缆 电缆的频谱被划分成信道 每条信道均可传送模拟信号 17 传送数字数据 对于数字数据有多种调制方案 包括 ASK 调幅 FSK 调频 PSK 调相 调制解调器的效率确定了给定数据速率下所需要的带宽 对5Mpbs和更高的速率可设定为1Hz bps 对较低速度则可为设定为2Hz bps 如一条6MHz的TV信道能达到5Mbps的数据速度 4 8kbps的调制解调器约需10kHz的带宽 低得多的数据速度可使用FSK 18 当今约20Mbps的数据速度是可以达到的 且带宽的利用效率可超过1bps Hz 为达到20Mbps以上的数据速度 有两种方法 这两种方法都要求将75 电缆的整个带宽用在这种数据传输上而不采用FDM 一种方法是在电缆上采用数字信号传输 象50 电缆那样 该方法能达到50Mbps的数据速度 另一种方法是使用简单的PSK系统 采用150MHz载波 该方法也已能达到50Mbps的数据速率 19 连接性 同轴电缆可应用于 点到点配置 多点配置 设备数量配置 50 基带电缆能够支持每段达100个设备 将各段通过转发器链接起来则能支持更大的系统 75 宽带电缆能支持数千个设备 但是75 电缆用在高速数据速率 50Mbps 时所能接设备的数量限于20 30个 20 地域范围 范围 典型基带电缆的电缆的最大距离限于数公里 宽带网络则可延伸到数十公里的范围 原因 这种差异与模拟信号和数字信号的相对受损程度有关 通常在工业区和市区所遇到的电磁噪声的类型是属于频率相对较低的噪声 这一频率范围也是数字信号中的大部分能量集中之处 21 模拟信号 可置于频率足够高的载波上 避免了噪声的主要分量 数字信号或模拟信号的高速传输可达50Mpbs 且限于1km左右 由于高速传输 总线上的信号之间的物理距离是很短的 因此 为使数据不被丢失 只能允许很低的衰减或噪声 22 抗扰性和成本 同轴电缆的抗扰性取决于应用和实现 一般对较高频率来说 同轴电缆的抗扰性优于双绞线的抗扰性 安装质量好的同轴电缆的成本介于双绞线和光纤的成本之间 23 3 1 4 光纤 物理描述 主题研究当前的纤维光学的能力 光学纤维 光学纤维是细 2 125 m 而软的 能够传导光束的媒体 什么是光学纤维 各种玻璃和塑料可用来制造光学纤维 使用超高纯度的熔融石英已能获得最低的损耗 但制造超高纯度的纤维是困难的 采用具有较高损耗的多成分的玻璃纤维比较经济 而且能提供良好的性能 塑料纤维在成本上更低 可用于短距离链路 对这种链路的高损耗是可以接受的 24 光缆 光缆具有圆柱形的形状 由三个同心部分组成 纤芯 纤芯是最内层部分 它由一根或多根非常细的由玻璃或塑料制成的绞合线或纤维组成 每一根纤维都由各自的包层包着 包层 包层是一玻璃或塑料的涂层 它具有与纤芯不同的光学特性 护套 护套是最外层 它包着一根或一束已加包层的纤维 护套是由分层的塑料和其附属材料制成的 用它来防止潮气 擦伤 压伤和其他外界带来的危害 25 传输性光纤利用全内反射来传输经信号编码的光束 全内反射可出现在折射率大于周围媒体的折射率的任意透明媒体中 事实上 光纤在1014 1015Hz频率范围内起一波导作用 这一频率范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱 图3 1展示了光纤传输的原理 26 c 单模 b 梯度折射率多模 图3 1光纤输模式 吸收护套 a 多模 纤芯 包层 27 传播方式 多模方式 来自光源的光进入圆柱形玻璃或塑料纤芯 小角度的入射光线被反射并沿光纤传播 其余光线被周围媒体所吸收 这种传播方式叫做多模 系指多个反射角 方式 在多模传输时 存在多个传播路径 每一路径的长度不同 因此越过光纤的时间亦不同 这使信号码元在时间上出现扩散 限制了能准确接收的数据速率 28 单模方式当纤芯半径降低到波长的量级时 只有单个角度或单个模 即只有轴向光束能通过 单模方式比多模有较优越的性能 梯度折射率多模方式 通过改变纤芯的折射率 形成第三传输方式 即称作梯度折射率多模方式 其特性介于其他两种方式之间 可变折射使光束聚焦的作用比普通多模 也叫做阶跃折射率多模 方式更有效 三类光纤比较光纤具有巨大的 远远超过同轴电缆或双绞线的传输能力 详见下表所示 29 光源带宽拼接典型应用成本纤芯直径包层直径 阶跃折射率多模 梯度折射率多模 单模 LED或激光器宽 高200MHz km 困难计算机数据链路最低50 125 m125 140 m 最贵2 8 m15 60 m 很宽 200MHz 3GHz km LED或激光器 较贵50 125 m125 440 m 困难 中等长度电话线路 激光器 极宽 3GHz 50GHz km 困难 远程通信长途线路 三类光纤比较表 30 125 140 m125 440 m15 60 m 光纤系统中使用的两种不同类型的光源 发光二极管 LED LED是在加电流后能发光的固态器件 LED较为便宜 能工作在较宽的温度范围 具有较长的工作寿命 注入式激光二极管 ILD ILD是根据被激发的量子电子效应能产生窄带发束的激光原理工作的固态器件 ILD则更为有效 能支持较高的数据速率 31 光电二极管光电二极管是用来在接收端将光信号变换成电信号的检测器 是已使用的有两种固态器件 PIN检测器 PIN比APD便宜 但灵敏度也较低 APD检测器 光载波的调制是一种称为光强度调制的ASK调制方式 一般二进制数字 0 和 1 是用一给定频率的光的有 无来表示的 LED和ILD两种器件都能用这种方式来调制 而PIN和APD检测器可直接响应光强度调制 32 光源选用 在使用波长 传输方式和可达到的数据速率之间存在一定关系 无论单模和多模都可支持几种不同的光波长 并能使用激光器或LED光源 在玻璃合成光纤中 光的传播有三种最佳的 以850 1300和1500nm为中心的波长 窗口 在较长的波长下 损耗较低 可允许较长的距离内有较高的数据速度 在大量的局域网应用中使用850nmLED光源 虽较便宜 但限100Mbps以下的数据速率和数公里的距离内使用 要更高的数据速度和更长的距离 需采用1300nm光源更适合于高速局域网 33 激光器光源如要达到最高的传输能力和最长的距离 则需要1500nm光源 这些都要求采用激光器光源 并用于某些长距离的应用中 但目前对局域网来说 它们是太昂贵了 过去 光纤传输使用单一的载波频率 现在实用的DM系统成为可能 这种系统也称为波长分割多路复用系统 34 连接性 光纤最普通的使用是在点到点链路上 使用公共总线拓扑结构的试验性多点系统已建立 但投入实际使用 花费太大了 由于光纤的低功耗 低衰减特性和更宽的带宽潜力 原则上 单根光纤能够支持更多的分支 35 地域范围 光纤能支持6 8km距离范围内的传输而不用转发器 光纤适用于经点对点链路链接的几个建筑物内的局域网 36 抗扰性 光纤不受电磁干扰或噪声影响 该特性允许在长距离内进行高速数据传输 提供优良的安全保密性 37 成本 光纤系统比双绞线系统和同轴电缆系统贵 按每米的成本计算 按组成部分计算 组成部分如 发送器 接收器 连接器 根据目前的技术及市场需求光纤的成本将会下降以致能与其他媒体相竞争 38 有线传输存在问题 如遇到铺设电缆很难施工的地段 有线传输实现困难 如通信距离很远 铺设电缆费时且昂贵 有线传输实现费用高 如信息时代需要及时得到信息 有线传输不能及时办到 3 1 5 无线传输 一 概述 39 短波无线电台传输数据 利用无线短波电台进行数据通信 一般采用低速传输 速率为一个模拟话路每秒传几十至几百个比特 当采用复杂的调制调技术后 数据的传输速率达到几千bps 短波的信号频率低于100MHz 它主要靠电离层的反射来实现通信 40 无线电微波通信在数据通信中占有重要的地位 微波的频率范围为300MHz 300GHs 主要使用 2 40 GHz的频率范围 微波的传输距离一般只有50km左右 因为微波在空间是直线传播 而地球表面是个曲面 若采用100m的天线塔 距离可增大到100km 微波通信有两种主要方式 地面微波接力通信 卫星通信 41 二 微波接力通信 接力 指为了实现远距离通信 必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干中继站 中继站把前一站送来的信号经过放大后再送到下一站所用的方法 微波接力通信的功能有 传输电话信息 传输电报信息 传输图像信息 传输数据信息 42 微波接力通信的主要特点有 信道的容量很大 微波波段频率很高 其频段范围也很宽 因此其通信信道的容量很大 传输质量较高 因工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多 对微波威信的危害比对短波通信小得多 因而微波传输质量较高 可靠性较高 微波接力信道能够通过有线线路难于通过和不易架设的地区 如高山 水面等 故有较大的机动灵活性 抗自然灾害的能力也较强 因而可靠性较高 相邻站之间必须直观 不能有障碍物 隐蔽性和保密性较差 43 三 卫星通信 卫星通信指地球站之间利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继站的一种微波接力通信 通信卫星发出的电磁波覆盖范围广 跨度可达18000km 覆盖了地球表面1 3的面积 有三的这样的通信卫星就可以覆盖地球上的全部通信区域 从而达到全球各地面站之间任意通信的目的了 卫星上可以安装多个转发装置 它按一种频率范围接收地面发来的信号 用另一种频率范围向地面站发出 其数据传输率约为50Mbps 44 国际上常用的频段为6 4GHz 3 7 4 5 MHz作为远程通信卫星向地面发送 下行 的频段 其频宽是500MHz 5 925 6 425 MHz作为地面站向上发送 上行 的频段 其频宽是500MHz 该频段现在已经很挤了 现在常用的频段为14 12GHz频段 每一路卫星信道的容量约等于10万条话频线路 可以将它看成达容量的电缆 且和发送站与接收站之间的距离无关 因通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信中继站 因而其主要特点与地面微波通信类似 但有较大的传播延迟 45 3 2数据通信模型 一 信号 数据 通信 信息数据通信涉及的范围很广 其任务是利用通信媒体传输信息 数据是信息的表达形式 信息是知识 是数据的内容 数据通信就是用什么媒体 什么技术来使信息数据化以及传输它 本处阐述与计算机网络有关的数据通信的基本知识 3 2 1 信道与信号 46 数据分类 数据有数字数据 具有离散值 如字符串等 模拟数据 某时间间隔中有连续的值 如音频数据 数据 电信号在通信系统中 数据需要编码 变换 为电信号的形式从一点传到另一点 电信号分类 由于有两种不同的数据类型 电信号相应有两种基本形式 模拟信号 数字信号 47 模拟信号 模拟信号是一种连续变换的电信号 模拟信号的取值可以是无限多个 如语音信号 用模拟信号进行的传输称为模拟传输 数字信号 数字信号是一种离散信号 数字信号的取值是有限个数 用数字信号进行的传输称为数字传输 图3 2为此两种信号的典型表示 48 时间 t a 数字信号的典型表示 b 模拟信号的典型表示 V V 0 f1 f2 f1 Asin 2 ft f2 Asin 2 ft 2 f1和f2相位差为 2 时间 t 周期 幅度 图3 2信号的典型表示 49 二 信道 信道是信号传输的通道 包括 通信设备 传输媒体 这些媒体可以是 有形媒体 如电缆 光纤 无形媒体 如传输电磁波的空间 对于不同信道 其特性和使用方法有所不同 50 信道可以按不同的方法分类 按传输媒体来分 可以分为 有线信道 无线信道 按传输信号类型可分为 模拟信道 数字信道 按使用权可分为 专用信道 公用信道等 51 数据通信的基本目的是在接收方与发送方之间交换信息 如图3 3所示 3 2 2 数据通信模型 g t s t s t g t m 输出设备 输入设备 发送方 接收方 干扰源 发送系统 传输媒体 接收系统 m 图3 3数据通信模型 52 m g以及g t 图中 标有m的是要交换的信息 该信息用g表示 一般以时变信号g t 的形式送到发送设备 g t 与s t 信号g t 要被发送 须转换成与传输媒体特征相匹配的信号s t 称为数据编码 即将输入数据转换为能被传输的信号的过程 与通信媒体有很大关系 s t 与s t 送到媒体上的传输信号在到达接收设备之前会面临一系列的干扰 因此接收到的信号s t 可能在某种程度上不同于s t 53 s t g t 以及g t s t 再经接收设备转换为适于输出的形式 转换后的信号g t 是g t 的近似值或估值 m 与m输出设备将估计出的信息m 提交给接收方 发送的是m而接收的是m 这即是在传输过程中发生了畸变 与所用的传输媒体的性质有关 想避免或减少这种现象的发生 就要用道差错控制技术 注意 接收方和发送方可以是一个用户或一个进程 54 3 3数据传输 3 3 1 概述 数据传输的成功主要有两个主要的因素 要传输的信号的质量 传输媒体的性能 数据传输的好坏 模拟或数字数据都既可用模拟又可用数字信号来传输 这些信号在传输过程中都会发生衰减 变形 尤其是在长距离传输后会发生严重的畸变 数据传输的好坏 还取决于发送和接收设备的性能 55 全双工方式 单工方式 半双工方式 3 3 2 数据在线路上的传送方式分为 56 一 单工 什么是单工方式单工方式是指数据信号仅沿一个方向传输 发送方只能发送不能接收 接收方 只能接收而不能发送 双方单工通信 为使双方能单工通信 还需一根线路用于控制 单工通信的信号传输链路一般由两条电线组成 通常又称为二线制 它们是 一个用于传输数据 另一个用于传送控制信号 57 二 单双工 什么是单双工方式单双工是指信号可以沿两个方向传送 但同一时刻一个信道只允许单方向传送 单双工方式的用途单双工方式适用于终端与终端之间的会话式通信 58 什么是全双工方式全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向传送 全双工方式是实现全双工方式实现是方法 可以采用四线制 也可以在两线制的基础上采用频率分割法 使传输信道分为 高频信道 低频信道 三 全双工 59 信号 信号由发送设备产生并经媒体传输 信号是时间的函数 可表示为频率的函数 根据傅立叶信号分析理论 任何信号都是由各种频率的成分组成 其中每一成分都是正弦波 或余弦波 示例如下 设某信号按傅立叶变换后为 s t sin2 ft 1 3sin3 2 f t 1 5sin5 2 ft 显然此信号是由频率成分正好为f 3f 5f的正弦波叠加而成 3 3 3 信号及其频谱 60 信号及其频谱 一般情况下 模拟信号的频谱 频率的取值情况 范围 是离散的 即频域函数s f 是离散的 而数字信号的频谱是连续的 如图3 4所示 给出了 s t sin2 ft 1 3sin3 2 f t 1 5sin5 2 ft 信号的频谱 s f 轴表示对应频率成分的幅值 信号频谱中最高频率与最低频率成分的差称为信号的绝对带宽 图1 6 a 的描述带宽为4f的一个例子 图1 6 b 给出了一个数字信号及其对应频谱图的例子 61 图3 4信号及其频谱 a s t 信号的频谱图 b 数字信号及其频谱 s f s t s f 频率 频率 时间 f 3f 5f t 2 t 2 1 T 2 T 3 T 4 T 1 5 1 3 1 62 信号的带宽与数据传输速率 从图 b 中看出 数字信号的带宽为无穷大 信号大部分能量集中在0 4 T的相对较窄的频带里 称该带为有效频带或带宽 数据传输速率与带宽之间存在对应关系 63 传输信号中的数据率越高 其带宽越高 信号的带宽越宽 其传输数据的数据率就越高 据香龙噪声信道理论 对于噪声信道 任何带宽为Hhz时 信噪比为S N的信道 其最大的数据传输率为 Hlog2 1 S N bps 如在模拟电话系统中带宽通常为3Khz 信噪比为30db 则该信道上最大数据传输率为3Klog2 1 1000 因10log10S N 30 所以S N 1000 64 在传输基带数字信号时 可以有多种不同的编码方法 如 NRIL nonreturn tozero eve 电平不归零制 NRZI nonreturn to zeroincernental倒相不归零制 bipolar AMI双向信号交替变换 pseudoternary伪三进制 伪三元 Manchester曼彻斯特码 Differentialmanchester差分曼彻斯特 4B 5B编码 有关数字信号编码格式如图3 5所示 3 4数据编码 65 NRIL NRZI Bipolar Pseudo ternary Manch ester Differ ential 01001100011 图3 5信号及其频谱 66 NRZL0 高电平1 低电平NRZI0 间隔的起点没有变换1 间隔的起点有变换Bipolar AMI0 无电平信号1 正或负电平 连续1变换伪三进制0 正或负电平 连续1变换1 无电平信号曼彻斯特码编码0 在信号间隔的中间从低电平跳到高电平1 在信号间隔的中间从高电平跳到低电平差分曼彻斯特码码在信号间隔的中间电平总是变化0 信号间隔的起始跳变1 信号间隔的起始无变 67 B8ZS0为无电平信号 正或负电平 连续1变换则为1 若遇到连续8个零的串就由两个非常规码串代替 stringcodeviolations 有效的双向信B validbipolarsignalV Bipolarviolation双向违规 HDB30为无电平信号 正或负电平 连续1变换则为1 若遇到连续4个零的串 由一个违规码串所代替 曼彻斯特码 Manchester 它的编码方法是将每一码元再分成两个相等的间隔 码元1是在前间隔为高电平而后一间隔为低电平 码元0则正好相反 从低电平变到高电平 68 计算机网络中经常用的编码有 RS 232异步串行ASCII码 曼彻斯特 Manchester 编码 差分曼彻斯特 Difterentialmanchester 编码 计算机网络和电话连接时 也使用调制解调器 Modem 在调制解调与电话传输之间使用的编码是PCM码 69 编码方式标准具体规定考虑因素 编码的时间特性 传输介质的电气特性 编码电压的高低 机械特性 接线器的尺寸 引线数目 排列方式 信道工作方式 全双工 半双工 70 RS 232 C EIA 连接方式 最大连接距离 50英尺 传输电压的范围 15V 0表示该电平 1表示该电平 0电压值没有 通信方式 异步 当信号中出现一长川的连1和或连0的信号时 接收方无法提取比特位同步信号 71 曼彻斯特编码 EIA 将一个比特分成两个相等的间隔 代表1信号的比特的前一个间隔为高电平 后一个间隔为低电平 代表0信号的比特的前一个间隔为低电平 后一个间隔为高电平 当信号中出现一长川的连1和或连0的信号时 接收方提取比特位同步信号 不论码元是1或0 在每个比特之间都有一次电平转换 需用较宽的频带 72 差分曼彻斯特 是曼彻斯特编码的一个变种 编码规则是 若码元为1 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样 若码元为0 则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反 不论码元是1或0 在每个码的正中间的时刻 一定要有一次电平的转换 73 一 概述 同步问题 是指数据通信中的双方交换数据 需要有高度的协同动作 通常 数据经媒体一次一比特的传播 这些比特的计时 速率 持续时间 间隔 对接收方和发送方必须相同 所谓同步 指接收方按发送方发送每个码元的起止时刻和速率接收数据 否则 收发之间会产生误差 且会造成传输的数据出错 3 5数字数据通信技术 3 3 1数据同步传输 74 通常采用的同步技术有 同步方式异步方式 75 二 异步方式 特点 字符代码的开始表示法 每传送一个字符 5位或8位 都在每个字符码前加一个起始位 字符结束表示法 在字符代码和校验码后面加一个停止位 由于这种方式的字符发送是独立的 所以称为面向字符的异步传输方式 每个字符都加上了同步信息 计时的漂移不会产生大的积累 但每个字符需要多占2 3位的开销 适用于低速终端设备 76 示例如下 通常接收方在每个比特时间的中心在媒体上取样 若收发双方有50 的计时误差 接收方的第一个取样就会偏离该比特中心0 05个比特时间 而在第10个取样末尾 接收方可能收到错误 这是一个积累过程 若采用异步方式 每几个比特就同步一次 则不会产生大的积累而出错 比特块越大 积累的计时误差越大 要使用较大的比特块 得使用同步方式 异步传输通常是面向字符 77 同步方式是在发送字符之前先发送一组同步字符 8位或16位 使收发双方进入同步 同步字符之后 可以连续发送任意多个字符 直到控制字符指出这一组字符传送结束 在同步传送时 发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送 从而提高了数据传输的效率 所以这种方法一般用在高速传输数据的系统 三 同步方式 78 为防止收发双方之间的计时漂移 它们的时钟必须以某种方式同步 一种可能是在收发之间提供一条另外的时间链路 一种可能是将时间信号掺入数据信号中 起止标识 同步标识等称为控制信息 用于控制数据的传输同步 数据块加上控制信息称为帧 若数据块被当作字符 这样的帧被称为面向字符的帧 若数据块被看作是比特流 则称为面向比特的帧 同步传输可能是面向字符的也可能是面向比特的 79 数据传输存在差错解决差错的常见控制技术有 奇偶校验 循环冗余校验 海明码 差错控制操作 由发送方选择差错控制技术 形成含差错控制信息的数字数据 传送到接收方后 接收方按此技术 分析收到数据是否正确 有的差错控制技术在确认收到数据有误后 还能自动纠错 对于不能纠错的 可采用要求重发技术等 3 5 2差错控制 80 3 6多路复用技术 3 6 1 概述 为什么引入多路复用技术 长途通信中 一些高容量的同轴电缆 地面微波 卫星设施以及光缆 其可传输的频率带宽很宽 为能高效合理地利用资源 常采用多路复用技术 什么是多路复用技术 使多路数据信号共同使用一条线路进行传输 即利用一个物理信道同时传输多个信号 如图3 6所示 81 图3 6多路复用技术 DEMUX MUX n个输入 n个输出 一条链路 n个信道 82 注释 图中多路复用器 MUX 将来自多个输入线的多路数据组合 调制成一路复用数据 将此数据信号送上高容量的数据链路 多路分配器接收复用的数据流 依照信道分离 分配 还原为多路数据 将他们送到适当的输出线路上 83 多路复用技术通常分为两类 频分多路复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 时分多路复用TDM TimeDivisionMultiplexing 84 3 6 2 频分多路复用 FDM 频分复用工作原理 频分复用是把线路或空间的频带资源分成多个频段 带 将其分别分配给多个用户 每个用户终端的数据通过分配给它的子通路 频段 传输 频分同时传送若干路不同频率的信号 FDM频分复用中 各个频段 带 都有一定的带宽 称逻辑信道或简称为信道 为防干扰 相邻两个信号的频率段之间应设立一定的 保护 带 见图3 7 频分复用的主要用于 电话和电缆电视 CATV 系统及模拟信号的传输 85 DEMUX MUX 保护带 频率划分为三个窄频带 图3 7频分多路复用 数据源 86 3 6 3 时分复用 TDM TDM是将整个传输时间分为许多时间间隔 称为时隙 时间片等 slottime 或通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条线路传送多路信号 见图3 8 线路上的每一时刻只有一路信号存在 数字信号是有限个离散值 故适用于时分多路复用技术 TDM又分为 同步时分复用STDM SynchronousTimeDivisionmultiplexing 异步时分复用ATDM 87 图3 8时分多路复用 时间 频率 数据源1 数据源2 数据源3 数据源1 数据源2 t1t2t3t4t5 三个终端共用一条通信线路的情况 88 一 同步时分复用 STDM STDM采用固定时间片分配方式 即将时隙预先分配且固定不变 通常与复用器相连接的是低速设备且达到多路低速设备复用高速链路的目的 与复用器相连的低速设备数目及速率受复用器及复用传输速率的限制 时隙预先且固定分配 造成无论时间片拥有者是否传输数据都占有一定时隙 形成了时隙浪费 使时隙的利用率很低 为克服该缺点 引入了异步时分复用 ATDM 技术 89 二 异步时分复用 ATDM技术又被称为统计时分复用 statisticaltimedivisionmultiplexing 或智能时分复用 ITDM 它能动态地按需分配时隙 ATDM是但某一路用户有数据要发送时才分配给线路资源 时隙 使每个用户的传输速率可高于平均速率 即通过多占时隙 最高可达到线路总的传输能力 即占有所有的时隙 如线路总的传输能力为28 8kbps 如3个用户公用此线路 在同步时分复用方式中 每个用户的最高速率为9600bps 而在ITDM方式时 每个用户的最高速率可达28 8kbps 90 交换技术 交换即转接 是在交换通信网中实现数据传输的必不可少的技术 图3 7给出了一般交换网络的示意图 常用的交换技术有三种 电路交换 线路交换 报文交换 分组交换 包交换 3 7数据交换技术 3 7 1 概述 91 图3 9一般交换网络 C D E F B A 主机系统 通信网结点 专用线 通路 92 3 7 2 电路交换 电路交换 circuitswitching 什么是电路交换 电路交换是一种直接的交换方式 它为一对需要进行通信的装置 站 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 传输通道是什么 传输通道由多个结点和多条结点间传输路径组成的链路 它既可是物理通道又可是逻辑通道 使用时分或频分复用技术 传输通道是由结点内部电路对结点间传输路径经过适当选择 连接而完成的 93 目前公用电话网广泛使用的交换方式是电路交换 经由电路交换的通信包括 三个阶段 结合图3 7解释如下 电路拆除 数据传输 电路建立 94 电路建立 通过源站点请求完成交换网中对应的所需逐个节点的接续 连接 过程 以建立起一条由源站到目的站的传输通道 例如建立A D之间的传输通道 按A 4 5 3 D顺序选择通道 最终完成A D间通信 执行过程为 95 图3 10电路交换过程 1 4 2 3 6 5 结点站点 A B 96 最终完成A D之间的传输通道 A 4 5 3 D A向结点4申请 结点4选择一条作为通路 在结点4内部建立A 4路径与4 5路径间的连接 依次类推 结点5内部建立4 5和5 3路径之间的连接 结点3内部建立5 3路径和3 D路径之间的连接 在4 1 4 5 4 7三条传输路径中 如选择4 5 97 数据传输 现在 信号可以从A经建立的链路传送到D了 通常为全双工传输 98 电路拆除 在完成数据或信号的传输后 由源站或目的站提出终止通信 各节点相应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 电路交换具有下列特点 99 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 对于交换网则要拆除已建立的部分电路 用户需要挂断重拨 这称为呼损 100 电路连通后提供给用户的是 透明通路 即指对下列内容都不加以限制 交换网对用户信息的编码方法 信息格式 传输控制程序 但对通信双方而言 必须做到对下列内容一致才能完成通信 它们是 双方的收发速度 编码方法 信息格式 传输控制 101 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播延迟以外 没有别的延迟 在每个结点的延迟可以忽略不计 适用于实时大批量连续的数据传输 102 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 103 当数据交换是一种相对较为连续的数据流时 如话音 电路交换是一种适宜的 易于使用的技术 104 3 7 2 报文交换 messageswitching 一 概述 报文交换又称存储转发 storeandforward 报文交换用途目前被广泛使用在数字数据中 网络结点是什么 在报文交换网中 网络结点通常为一台专用计算机 且带有足够的外存 报文进入时 作为缓冲存储用 报文组成每一个报文由传输的数据和报头 有源地址和目标地址 组成 105 结点根据报头中的目标地址进行报文路径选择 并对收发的报文作相应处理 如 进行差错检查和纠错 调节输入 输出速度进行数据速率转换 进行流量控制 还可进行编码方式的转换 二 报文交换原理 106 报文交换中每个节点都对报文进行 存储转发 报文数据在交换网中是按接力方式发送的 通信双方事先不知道报文所要经过的传输路径 并且各个节点没有被特定报文独占 报文交换是在两个节点间的一段链路上逐段传输 不需在两个主机间建立多个节点组成电路通道 107 三 报文交换过程 结点接收一个报文后 报文暂时存放在结点的存储设备中 等到输出线路空闲时 再按报文中所附的目的地址转发到下一个合适的结点 如此往复 直到报文到达目标数据终端时止 108 四 报文交换举例 图3 11报文交换举例 E F A 主机 通路 主机 例1 主机A发送一个报文给主机E 109 节点6收到报文后交给主机E 完成报文传输 主机A首先将报文发送到节点4 节点4按报文附加的目标地址选择节点5 节点4按报文附加的目标地址选择节点7 节点5接收并存储所收到的报文 节点7接收并存储所收到的报文 当输出线路有空时 把该报文转发到它所选择的下一个节点6 110 例2 主机A发送一个报文给主机B 图3 12报文交换过程 结点站点报文 1 4 2 3 6 5 A B 111 五 报文交换特征 源站A和目标站C在通信时不需要建立一条专用的通路 结点4 5 6或4 7 6不需要同时空闲 与电路交换相比 报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和时延 线路利用率高 节点间可根据线路情况选择不同的速度传输 能高效的传输数据 要求结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 纠错 112 缺点 由于采用了对完整报文的存储 转发 结点存储 转发的时延较大 不适用于