2网络体系结构与网络协议_97.ppt

第2章网络体系结构与网络协议 第2章网络体系结构与网络协议 本章学习要求 掌握网络体系结构的基本概念 掌握物理层及物理层下面的传输媒体 掌握数据交换技术 了解数据通信的基础知识 了解模拟传输与数字传输 了解信道复用技术 了解差错控制方法重点和难点 重点 计算机网络的体系结构 开放系统互连参考模型的概念 物理层接口与协议 数据交换技术 难点 数据通信的主要技术指标 调制解调器 信道复用技术 第2章网络体系结构与网络协议 2 1数据通信的基础知识2 1 1信息 数据 信号 信源 信宿与信道1 信息的概念在一般情况下 信息是指人们所说的消息 或者是通信的内容 广义地说 信息是指人类感官所能直接或间接感知的消息 字符编码 ASCII和UNICODE最常用的字符编码是ASCII码 西文用一个字节表示256 通常是128 种不同的字符 汉字 内码 用两个字节 最高位为1 表示最多65536个不同的汉字和符号 三组常用的西文字符的ASCII码如下 0 930h 39hA Z41h 5Aha z61h 7Ah目前逐渐改为用一种双字节的字符编码方法 UNICODE来统一表示各国文字和各种符号 2 数据的概念数据是计算机化的信息 它是采用计算机能够识别 存储和处理方式对现实世界的事物进行的描述 例如 整数 字符 声音 图像等都是数据 因为它们都可以输入机器并加以处理 声音编码声音是通过声卡采样 编码和解码运算在模拟量和二进制数之间进行转换 录音时 声卡按照一定的频率对声波采样 每个采样点的振幅被转化为一定位数的二进制编码 放音时 声卡又按照相同的频率将二进制编码转换为音频模拟信号加以回放 这样我们就可以听到与原来几乎一样的声音 显然 采样的频率越高 记录振幅的位数越多 声音就越逼真图象编码一般的显示器可显示1024 768 甚至更高 点阵 如果每个点用一定数量二进制位的组合来表示若干种不同的颜色 则一幅图象就可被转换为图象的二进制编码 显示卡的内存 显存 应至少保存一屏完整的图象 因此 一幅1024 768 32位色的位图图象至少需要1024 768 3 Byte 2359296 Byte 第2章网络体系结构与网络协议 3 信号的概念信号是数据传输过程中电信号的表示形式 电话线上传输的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号 模拟信号的信号电平是连续变化的 其波形如图2 1a所示 计算机所产生的电信号是用两种不同电平表示0 1比特序列的电压脉冲信号 这种信号称为数字信号 数字信号的波形如图2 1b所示 第2章网络体系结构与网络协议 4 信源的概念信源是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机 5 信宿的概念信宿是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机 6 信道的概念信道是信源和信宿之间的通信线路 第2章网络体系结构与网络协议 2 1 2模拟数据通信和数字数据通信1 数据通信系统的模型一个数据通信系统由源系统 传输系统和目的系统三大部分组成 源系统含有输入信息的源点和输入数据的发送器两部分 传输系统实际上就是公用电话网 目的系统含有接收信号的接收器和输出信息的终点组成 第2章网络体系结构与网络协议 2 模拟数据的表示模拟数据是时间的函数 并占有一定的频率范围 也就是频带 这种数据可以直接用占有相同频率的电信号 即对应的模拟信号表示 3 数字数据的表示数字数据可以用模拟信号表示 此时要利用调制解调器Modem Modulator DeModulator 将数字数据调制转换为模拟信号 使之能适合于此种模拟信号的媒体的传输 4 模拟信号和数字信号的传输模拟信号和数字都可以在合适的传输媒体上传输 第2章网络体系结构与网络协议 2 1 3数据通信的主要技术指标数据通信的任务是传输数据信息 希望达到传输速度快 出错率低 信息量大 可靠性高 并且既经济又便于使用维护 1 数据传输速率数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数 单位为位 秒 b s 它可由下式表示 码元速率表示式为 第2章网络体系结构与网络协议 一个码元对应于一个比特信息时 此时 信号传输速率等于数据传输速率 即数据传输速率和信号传输速率的对应关系式为 第2章网络体系结构与网络协议 2 信道容量信道容量表征一个信道传输数据的能力 单位为位 秒 b s 信道容量与数据传输速率的区别在于 前者表示信道最大的数据传输速率 是信道传输数据能力的极限 而后者则表示实际的数据传输速率 第2章网络体系结构与网络协议 信道容量按以下两种情况考虑 1 奈奎斯特 Nyquist 经过研究分析 首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值与信通带宽的关系为 其中 H是信道的带宽 也称为频率范围 就是信道能传输上 下限频率的差值 单位为赫兹 Hz 由此可以推导出表征信道数据传输能力的公式 即奈奎斯特公式 第2章网络体系结构与网络协议 2 香农 Shannon 研究了受随机噪音干扰的信道情况 给出了计算信道容量的香农公式 其中 是信噪比 S是信号功率 N是噪音功率 第2章网络体系结构与网络协议 3 误码率误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标 它定义为二进制数据位传输时出错概率 则误码率表示为 第2章网络体系结构与网络协议 2 1 4通信方式通信有两种基本方式 并行方式和串行方式 1 并行通信方式在收发两个设备之间同时传输多位数据 就称为并行通信 并行通信进行近距离传输时 其突出的优点是传输速度快 处理简单 第2章网络体系结构与网络协议 2 串行通信方式串行数据传输时 数据是一位一位地在通信线路上传输的 与并行传输相比 串行数据传输的速度要比并行传输速度慢得多 如图2 4所示 串行数据传输时 先由具有8位总线的计算机内的发送设备 将8位并行数据经并 串转换器换成串行方式 第2章网络体系结构与网络协议 3 串行通信的方向性结构串行数据通信的方向性结构有三种 单工通信 半双工通信和全双工通信 单工通信又称为单向通信 单工通信是数据信号仅从A端传送到B端 亦即信息流仅沿一个方向流动 发送端 发送设备 和接收端 接收设备 是固定的 如图 a 所示 第2章网络体系结构与网络协议 半双工通信又称为双向交替通信 半双工通信是数据可以从A端传送到B端 又可以由B端传送到A端 但不能在两个方向上同时传输 第2章网络体系结构与网络协议 全双工通信又称为双向同时通信 全双工通信要使用全双工信道 同一时刻能在两站间的两个方向传输数据信息 如图 c 所示 全双工通信和半双工通信比较 全双工通信效率高 但它的结构复杂 成本也比较高 第2章网络体系结构与网络协议 2 2网络体系结构的基本概念2 2 1网络协议的概念1 网络协议的定义为网络数据交换而制定的规则 约定与标准被称为网络协议 Protocol 2 网络协议的组成要素 语法 是用户数据与控制信息的结构与格式 语义 是需要发出何种控制信息 以及要完成的动作与应做出的响应 时序 是对事件实现顺序控制的时间 第2章网络体系结构与网络协议 几个重要概念 协议 Protocol 是一种通信规约 层次层次 Layer 是用于处理复杂问题而设置的结构和处理的方法 接口 Interface 是同一个节点或节点内相邻层之间交换信息的连接点 体系结构 把网络层次结构模型与各层次协议的集合定义为计算机网络体系结构 NetworkArchitecture 简称体系结构 第2章网络体系结构与网络协议 2 2 2网络体系结构的提出1 计算机网络中采用层次结构的好处 各层之间相互独立 灵活性好 各层都可采用最合适的技术来实现 易于实现维护 有利于促进标准化2 网络体系结构的提出1974年 IBM公司提出了世界上第一个网络体系结构 这就是系统网络体系结构 SNA SystemNetworkArchitecture 第2章网络体系结构与网络协议 2 3OSI参考模型2 3 1OSI参考模型的基本概念1 提出OSI参考模型的组织机构在计算机网络标准方面 起着很大作用的两大国际组织是 国际电报与电话咨询委员会CCITT与国际标准化组织ISO 2 OSI参考模型的概念在OSI标准中 采用三级抽象 体系结构 服务定义 协议规格说明 第2章网络体系结构与网络协议 2 3 2OSI参考模型的结构1 具有七层协议的OSI参考模型的结构根据分而治之的原则 ISO将整个通信功能划分为七个层次 它们是物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层和应用层 划分层次的主要原则是 1 网中各节点都有相同的层次 2 不同节点的同等层具相同的功能 3 一个节点内相邻层之间通过接口通信 4 每一层可以使用下一层提供的服务 并向其上层提供服务 5 不同节点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 第2章网络体系结构与网络协议 具有七层协议的OSI参考模型的结构如图2 7所示 第2章网络体系结构与网络协议 2 具有五层协议的计算机网络体系结构OSI的七层协议体系结构的概念清楚 理论也较完善 但它既复杂又不实用 TCP IP现在却得到了非常广泛的应用 TCP IP是一个四层的体系结构 它包含应用层 运输层 网际层和网络接口层 综合OSI和TCP IP的优点 采用一种只有五层协议的体系结构 它不包括七层OSI参考模型中的表示层和会话层 第2章网络体系结构与网络协议 2 3 3OSI参考模型的功能1 物理层物理层的主要功能是 利用传输介质为数据链路层提供物理连接 负责处理数据传输速率并监控数据出错率 以便能实现数据流的透明传输 2 数据链路层数据链路层的主要功能是 在物理层提供的服务基础上 数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接 传输以 帧 为单位的数据包 并采用差错控制与流量控制方法 使有差错的物理线路变成无差错的数据链路 第2章网络体系结构与网络协议 3 网络层网络层的主要功能是 为数据在节点之间传输创建逻辑链路 通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最佳路径 以及实现拥塞控制 网络互联等功能 4 运输层运输层的主要功能是 向用户提供端到端的服务 处理数据包差错 数据包次序以及其他一些关键传输问题 第2章网络体系结构与网络协议 5 会话层会话层的主要功能是 负责维护两个节点之间的传输链接 以便确保点到点的传输不中断 以及管理数据交换等功能 6 表示层表示层的主要功能是 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式 主要包括数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复等功能 7 应用层应用层的主要功能是 为应用软件提供了很多服务 第2章网络体系结构与网络协议 2 3 4OSI环境中的数据传输过程1 OSI环境OSI所描述的范围就称为OSI环境 OSI参考模型描述的范围包括联网计算机系统中的应用层到物理层的七层与通信子网 第2章网络体系结构与网络协议 2 数据传输过程OSI环境中的数据流 如图2 10所示 第2章网络体系结构与网络协议 OSI环境中数据传输过程包括几个步骤 当应用进程A的数据传送到应用层时 应用层数据加上本层控制报头后 组织成应用层的数据服务单元 然后再传输到表示层 表示层接收到这个数据单元后 加上本层控制报头 组成表示层的数据服务单元 再传送到会话层 依此类推 数据传送到运输层 运输层接收到这个数据单元后 加上本层的控制头 就构成了运输层服务数据单元 它被称为报文 Message 运输层的报文传送到网络层时 由于网络数据单元的长度有限 运输层长报文将被分成多个较短的数据字段 加上网络层的控制报头 就构成了网络层的数据服务单元 它被称为分组Packet 也称为报文分组 网络层的分组传送到数据链路层时 加上数据链路层的控制信息 构成了数据链路层的数据服务单元 它被称为帧Frame 数据链路层的帧传送到物理层后 物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去 第2章网络体系结构与网络协议 2 4物理层2 4 1物理层接口与协议物理层上的协议有时也称为接口 物理层协议规定了建立 维持及断开物理信道的有关特性 这些特性包括机械的 电气的 功能和规程性的四个方面 1 机械特性物理层的机械特性对插头和插座的几何尺寸 插针或插孔芯数及其排列方式 锁定装置形式等做了详细的规定 第2章网络体系结构与网络协议 2 电气特性DTE与DCE接口的各根导线的电气连接方式有非平衡方式 采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种 非平衡方式 采用差动接收器的非平衡方式 平衡方式 第2章网络体系结构与网络协议 3 信号的功能特性信号的功能特性规定了接口信号的来源 作用以及其他信号之间的关系 接口信号线功能一般可分为数据信号线 控制信号线 定时信号线和接地线等四类 4 规程特性物理层的规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤 这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成 第2章网络体系结构与网络协议 2 4 2物理层协议举例1 EIARS 232C接口标准 第2章网络体系结构与网络协议 RS 232C的机械特性它使用一个25芯的标准连接器 并对该连接尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明 RS 232C的电气特性它使用负逻辑 规定电平 15 5V为逻辑 1 而电平 5 15V为逻辑 0 5 5V之间为过渡区域 不作定义 第2章网络体系结构与网络协议 RS 232C的功能特性它定义了25芯标准连接器中的20根信号线 其中有2根地线 信号地线和保护地线 4根数据线 11根控制线 3根定时信号线 剩下5根线做备用或未定义 RS 232C规程特性RS 232C在远程通信时的连接 如图2 15所示 第2章网络体系结构与网络协议 2 EIARS 449接口标准RS 449标准的电气特性有两个子标准 RS 422和RS 423 RS 422由于采用完全独立的双线平衡传输 抗串扰能力大加强 又由于信号电平定义为 6V 2V为过渡区域 的负逻辑 故传输距离为10m时 传输速率可达10Mb s 性能远远优于RS 232C标准 第2章网络体系结构与网络协议 3 100系列和200系列接口标准 100系列接口标准100系列接口的标准的电气特性采用V 28和V 35两种建议 200系列接口标准200系列标准接口的电气特性则采用V 28建议 第2章网络体系结构与网络协议 2 5物理层下面的传输媒体传输媒体可分为两大类 即导向传输媒体和非导向传输媒体 在导向传输媒体中 电磁波被导向沿着固体媒体 铜线或光纤 传播 而非导向传输媒体就是指自由空间 在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输 如图2 17所示的是电信领域使用的电磁波的频谱 第2章网络体系结构与网络协议 2 5 1导向传输媒体导向传输媒体有双绞线 同轴电缆和光纤等三种 1 双绞线双绞线也称为双扭线 它是最古老但又是最常用的传输媒体 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起 然后用规则的方法绞合 twist 起来就构成了双绞线 为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力 可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层 这就是屏蔽双绞线 简称为STP ShieldedTwistedPair 它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 要贵一些 如图2 18所示 为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图 第2章网络体系结构与网络协议 通常按特性阻抗数值的不同 将同轴电缆分为两类 50 同轴电缆50 同轴电缆主要用于在数据通信中传送基带数字信号 75 同轴电缆75 同轴电缆用于模拟传输系统 它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆 2 同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线 单股实心线或多股绞合线 绝缘层 网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成 如图2 19所示 由于外导体屏蔽层的作用 同轴电缆具有很好的抗干扰特性 从而被广泛用于传输较高速率的数据 第2章网络体系结构与网络协议 3 光纤光纤通信就是利用光导纤维 以下简称为光纤 传递光脉冲来进行通信 光纤是光纤通信的传输媒体 在发送方有光源 可以采用发光二极管或半导体激光器 它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲 在接收方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 第2章网络体系结构与网络协议 多模光纤 许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输 单模光纤 若光纤的直径减小到只有一个光的波长 则光纤就像一根波导那样 它可使光线一直向前传播 而不会产生多次反射 第2章网络体系结构与网络协议 光纤不仅具有通信容量非常大的优点 而且还具有其他的一些特点 1 传输损耗小 中继距离长 对远距离传输特别经济 2 抗雷电和电磁干扰性能好 这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要 3 无串音干扰 保密性好 也不易被窃听或截取数据 4 体积小 重量轻 第2章网络体系结构与网络协议 2 5 2非导向传输媒体非导向传输媒体有短波通信 微波通信和卫星通信 1 短波通信短波通信使用的频率范围是3MHz 30MHz 主要是靠电离层的反射 但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应 使得短波通信的质量较差 2 微波通信微波通信在数据通信中占有重要地位 微波的频率范围为300MHz 300GHz 第2章网络体系结构与网络协议 微波接力通信的主要特点 1 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 2 因为工业干扰和天气干扰的主要频谱成分比微波频率低得多 对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多 因而微波传输质量较高 3 与相同容量和长度的电缆载波通信比较 微波接力通信建设投资少 见效快 当然 微波接力通信也存在如下的一些缺点 1 相邻站之间必须直视 不能有障碍物 有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线 因而造成失真 2 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响 3 与电缆通信系统比较 微波通信的隐蔽性和保密性较差 4 对大量中继站的使用和维护 要耗费一定的人力和物力 第2章网络体系结构与网络协议 3 卫星通信常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信 通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站 卫星通信的最大特点是通信距离远 且通信费用与通信距离无关 同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千多公里 只要在地球赤道上空的同步轨道上 等距离地放置3颗相隔120度的卫星 就能基本上实现全球的通信 第2章网络体系结构与网络协议 和微波接力通信相似 卫星通信的频带很宽 通信容量很大 信号所受到的干扰也较小 通信比较稳定 为了避免产生干扰 卫星之间相隔如果不小于2度 那么 整个赤道上空只能放置180个同步卫星 好在人们想出来可以在卫星上使用不同的频段来进行通信 因此 总的通信容量还是很大的 卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延 由于各地球站的天线仰角并不相同 因此 不管两个地球站之间的地面距离是多少 相隔一条街或相隔上万公里 从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延在250ms 300ms之间 一般可取为270ms 这和其他的通信有较大差别 请注意 这和两个地球站之间的距离没有什么关系 对比之下 地面微波接力通信链路的传播时延一般取为3 3 s km 这里我们要注意的是 卫星信道的传播时延较大 并不等于 用卫星信道传送数据的时延较大 这是因为传送数据的总时延除了传播时延外 还有发送时延和处理时延这两部分 传播时延在总时延中所占的比例有多大 取决于具体情况 第2章网络体系结构与网络协议 图2 26所示的美国的ISM频段 现在的无线局域网就使用其中的2 4GHz和5 8GHz频段 ISM是Industrial ScientificandMedical 工业 科学与医药 的缩写 即所谓的 工 科 医频段 红外通信和激光通信也是一种非导向媒体 红外通信可用于近距离的笔记本计算机的相互传送数据 第2章网络体系结构与网络协议 2 6数据编码技术和时钟同步 实际上 除了模拟数据的模拟信号传输外 数字数据的模拟信号传输 数字数据的数字信号传输和模拟数据的数字信号传输 这三种方法都需要某种形式的数据表示或者称为数据编码 2 6 1数字数据的模拟信号编码1 调制解调器数字信号变换成音频信号的过程称为调制 Modulate 音频信号逆变换成对应的信号的过程称为解调 Demodulate 通常 每个工作站既要发送数据又要接收数据 是双向通信的 所以 总把调制和解调合成一个设备 称作调制解调器Modem ModulatorDemodulator 使用调制解调器进行远程通信的系统 如图2 27所示 2 6数据编码技术和时钟同步 2 三种调制方式在调制过程中 首先要选择音频范围内的某一角频率 的正 余 弦信号作为载波 该正 余 弦信号可以写为 在载波u t 中 有3个可以改变的电参量 振幅Um 角频率 与相位 可以通过变化3个电参量 来实现模拟数据信号的编码 图2 28给出了模拟数据信号的编码方法的三种基本形式 2 6数据编码技术和时钟同步 2 6数据编码技术和时钟同步 1 幅移键控振幅键控ASK AmplitudeShiftKeying 方法是通过改变载波信号振幅来表示数字信号 1 0 例如 可以用载波幅度为Um表示数字 1 用载波幅度为零表示数字 0 ASK信号波形如图2 28 a 所示 其数学表达式为 ASK信号实现容易 技术简单 但是抗干扰能力较差 而且ASK方式容易受增益变化的影响 是一种效率相当低的调制技术 在电话线路上 通常只能达到1200b s的速率 2 6数据编码技术和时钟同步 2 频移键控移频键控FSK FrequencyShiftKeying 方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号 1 0 例如 可以用角频率 1表示数字 1 用角频率 2表示数字 0 FSK信号波形如图2 28 b 所示 其数学表达式为 FSK信号实现容易 技术简单 抗干扰能力较强 是目前最常用的调制方法之一 由于两个角频率 1和 2之间不存在重叠 因此 几乎没有什么干扰 在电话线路上 FSK通常可达到1200b s或更高速率 2 6数据编码技术和时钟同步 2 相移键控移相键控PSK PhaseShiftKeying 方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号 1 O 如果用相位的绝对值表示数字信号 1 O 则称为绝对调相 如果用相位的相对偏移值表示数字信号 1 O 则称为相对调相 如果用多个相位实现调相 则称为多相调制 绝对调相在载波信号u t 中 0为载波信号的相位 最简单的情况是 用相位的绝对值来表示它所对应的数字信号 图2 28 c 给出了绝对调相的信号波形 当表示数字 1 时 取 0 O 当表示数字 0 时 取 0 这种简单的绝对调相方法可以用下式表示 2 6数据编码技术和时钟同步 相对调相相对调相用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号 最简单的相对调相方法是 两比特信号交接处遇 0 载波信号相位不变 两比特信号交接处遇 1 载波信号相位偏移 相对调相的信号波形 如图2 28 d 所示 在实际使用中 移相键控方法可以方便地采用多相调制方法达到高速传输目的 移相键控方法的抗干扰能力强 但是实现技术比较复杂 多相调制以上讨论的是二相调制的方法 即用两个相位值分别表示二进制数 O 1 在模拟数据通信中 为了提高数据传输速率 人们常采用多相调制的方法 在实际使用中 移相键控方法可以方便地采用多相调制方法达到高速传输目的 移相键控方法的抗干扰能力强 但是实现技术比较复杂 2 6数据编码技术和时钟同步 为了提高数据传输速率 人们又提出技术上较复杂的振幅相位混合调制 例如 正交调幅QAM QuadratureAmplitudeModulation 方法 此外 在实际使用中还有一种相位幅度调制PAM PhaseAmplitudeModulation 当采用多相PSK时 可以有效地提高数据传输速率 但受到实际电话传输网络的限制 相移数已达到上限 若再提高数据传输速率 只能另寻它法 用PSK和ASK技术的结合 可以解决这个问题 例如 用12种相位 其中的4种相位每个信号取2种幅度 这样就得到16种不同的相位幅度离散状态 可使一个码元表示4位二进制 从而大大提高了数据传输速率 这种类型的调制解调器有效数据传输速率可达9600b s 2 6数据编码技术和时钟同步 2 6 2数字数据的数字信号编码 数字信号可以直接采用基带传输 基带传输是指基本频带 基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲 这是一种最简单的传输方式 近距离通信的局域都采用基带传输 基带传输时 需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题 1 几种基本的数字信号脉冲编码方案如图2 29所示 是几种基本的数字信号脉冲编码方案 2 6数据编码技术和时钟同步 2 6数据编码技术和时钟同步 单极性不归零码单极性不归零码 如图2 29a所示 单极性不归零码用无电压或无电流表示 0 而恒定的正电压用来表示 1 每个码元时间的中间点是采样时间 判决门限为半幅度电平 双极性不归零码双极性不归零码 如图2 29b所示 双极性不归零码的 1 码和 0 码都有电流 但 1 是正电流 0 是负电流 正和负的幅度相等 故称为双极性 以上两种编码 都是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流 以及发出正电流或负电流 每一位码元占用了全部码元的宽度 所以这两种编码都属于全宽码 也称作不归零码NRZ NonReturntoZero 2 6数据编码技术和时钟同步 单极性归零码单极性归零码 如图2 29c所示 当发 1 码时 发出正电流 但持续时间短于一个码元宽度 就是发出一个窄脉冲 当发 0 码时 仍然不发送电流 因此 称这种码为单极性归零码 双极性归零码双极性归零码 如图2 29d所示 其中 1 码发正的窄脉冲 0 码发负的窄脉冲 两个码元的间隔时间可以大于每一个窄脉冲的宽度 取样时间对准脉冲的中心 基带传输的另一个重要问题就是同步问题 接收端和发送端传送的数据序列在时间上必须取得同步 以便能准确地区分和接收发来的每位数据 这就要求接收端按照发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据 在接收过程中还要不断校准时间和频率 这一过程称为同步过程 2 6数据编码技术和时钟同步 2 同步方法在计算机通信与网络中 广泛采用的同步方法有位同步法和群同步法两种 位同步法接收端始终保持与发送端同步 这叫做位同步 也常常把它称为 同步传输 实现位同步的方法有外同步法和自同步法两种 在外同步法中 接收端的同步信号先由发送端送来 而不是自己产生也不是从信号中提取出来 2 6数据编码技术和时钟同步 自同步是指能从信号波形中提取同步信号的方法 著名的曼彻斯特编码是一种自同步的典型例子 如图2 30所示 其中 图2 30b是曼彻斯特编码方式 它的每一位的中间有一跳变 位中间的跳变既作为时钟信号 又作为数据信号 规定从高到低的跳变为 1 从低到高的跳变表示 0 而且中间是分裂的 此外 还有一种像图2 30c那样 称为差分曼彻斯特编码 这种编码每位中间的跳变仅提供时钟定时 而用每位开始时有无跳变表示 0 或 1 有跳变表示 0 无跳变表示 1 2 6数据编码技术和时钟同步 群同步在群同步的通信系统中 传输的信息被分成若干 群 群 一般以字符为单位 在每个字符前面冠以起始位 结束处加上终止位 从而组成一个字符序列 在群同步传输规程中 每个字符可由下面四个部分组成 1位起始位 以 0 表示 5 8位数据位 是要传输的字符内容 1位奇偶校验位 用于检错 这为可选项 1 2位停止位 用 1 表示 用作字符间的间隔 群同步的字符格式 如图2 31所示 2 6数据编码技术和时钟同步 群同步法只需保持每个字符的起始点同步 在群内则按约定的频率进行位的接收就可以了 这种方法实现简单 但需要添加诸如起始位 校验位和停止位等附加位 相对于同步传输来说 编码效率和信道利用率较低 一般用于低速数据传输场合 2 6数据编码技术和时钟同步 2 6 3模拟数据的数字信号编码 1 脉码调制脉码调制是以采样定理为基础的 该定理从数学上证明 若对连续变化的模拟信号进行周期性采样 只要频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍 则采样值便可包含原始信号的全部信息 利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号 设原始信号的最高频率为Fmax 采样频率为Fs 则采样定理可以下式表示 式中Fs为采样周期 Bs Fmax Fmin为原始信号的带宽 2 6数据编码技术和时钟同步 2 PCM的数字信号转换过程PCM的数字信号的转换过程可包括采样 量化和编码三个步骤 采样以采样频率Fs把模拟信号的值取出 量化使连续的模拟信号变为时间轴上的离散值 编码将离散值编成一定位数的二进制数码 2 6数据编码技术和时钟同步 2 6数据编码技术和时钟同步 3 PCM的特点模拟数据经过PCM编码转换成数字信号后 就可以和计算机中的数字数据统一采用数字传输方式进行传输了 对数字电话 数字传真 数字电视等数字通信系统而言 它具有下列两个显著优点 抗干扰性强我们知道 在模拟通信中 当外部干扰和机内噪声叠加在有用的信号上时 就很难完全将干扰和噪声去掉 因而使输出信号的信噪比降低 保密性好PCM也有其缺点 例如 模拟信号变换成数字信号后占有较宽的频带 数字设备和联网技术较复杂 与现有的模拟通信设备之间也不免存在一些矛盾 等等 2 7信道复用技术 实际的数据通信系统或计算机网络系统 其传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求 为了更有效地利用通信线路 可以在一个信道上同时传输多路信号 这就是信道复用技术或多路复用技术 采用信道复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上同时进行传输 大大节约了电缆的安装和维护费用 常用的信道复用技术有 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 统计时分复用STDM StatisticsTDM 波分复用WDM WivelengthDivisionMultiplexing 码分复用CDM CodeDivisionMultiplexing 2 7信道复用技术 2 7 1频分复用 时分复用和统计时分复用 1 频分复用在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下 可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同 或略宽 的子信道 每个子信道传输一路信号 这就是频分复用的基本原理 FDM如图2 33 a 所示 2 7信道复用技术 2 7信道复用技术 2 时分复用当媒体具有位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率的能力时 就可以采用时分复用技术TDM 也就是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用 如图2 33 b 所示 例如 Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分多路复用技术TDM 使24路采样声音信号复用一个通道 其帧结构如图2 34所示 2 7信道复用技术 3 FDM和TDM的比较在FDM用于物理介质的有效带宽超过给定信号所需要的带宽的情况下 将多个信号调制到各自不同的载波信号上 实现同时传送多路信号 各路信号在微观上是并行传送的 TDM利用了介质可达到的位传输速率超过各数字信号的数据速率 利用每个信号准确地间隔一段时间的办法 便可在一条信道上传送多路信号 间隔或时间片可按位 字符或信息块为单位划分 而常用的是按字符划分 每路一个时间片组成的序列称为一帧 TDM是按帧循环传送 各路信号在微观上是串行传送的 在宏观上 例如 传送报文级 是并行传送的 2 7信道复用技术 4 统计时分复用统计时分复用STDM StatisticTDM 是一种改进的时分复用 它能明显地提高信道的利用率 集中器 concentrator 常使用这种统计时分复用 图2 35是统计时分复用的原理图 2 7信道复用技术 2 7 2波分复用波分复用的工作原理 如图2 36所示 图中所示的两束光波的频率是不相同的 它们通过棱镜 或光栅 之后 使用了一条共享的光纤传输 它们到达目的节点后 再经过棱镜 或光栅 重新分成两束光波 2 7信道复用技术 2 7 3码分复用码分复用是另一种共享信道的方法 实际上 更常用码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信 由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此各用户之间不会造成干扰 图2 37是CDMA的工作原理 CDMA应用举例 CDMA系统中的所有站在某一时刻要么发送其码片序列 要么发送码片序列的反码 要么什么也不发送 接收站X必须知道发送站A所特有的码片序列X接收到的信号是多个发送端发送的信号的累加和 X站利用S站的码片序列与接收到的信号求内积 根据CDMA的特点 所有其他站的信号都被过滤掉 只剩下站 发送的信号 S站发送1 X站的规格化内积为 1 S站发送0 X站的规格化内积为 1 1 CDMA应用举例 现在有四个发送端A B C D 其码片序列分别为 A 1 1 1 1 1 1 1 1 B 1 1 1 1 1 1 1 1 C 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 某一时刻四个发送端发送的信号分别为1 1 1 1 则接收端X是如何提取出发送端C的信号的 1 CDMA应用举例 接收端X收到的信号为 Z i m 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 0 0 2 2 4 0 1 CDMA应用举例 接收端X提取信号的过程为 2 2 0 0 2 2 4 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 0 0 2 2 4 0 8 1 2 8数据交换技术 按所用的数据传送技术划分 交换网络又可分为电路交换网 报文交换网和分组交换网 2 8 1电路交换使用电路交换进行数据传输期间 在源节点与目的节点之间有一条利用中间节点构成的专用物理连接线路 直到数据传输结束 当两个相邻节点之间的信道容量很大时 这两个相邻节点之间可以复用多条电话通道 用电路交换技术完成数据传输要经历电路建立 数据传输 电路拆除三个阶段 2 8数据交换技术 1 电路建立如同打电话一样 先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路 在传输数据之前 也要经过呼叫过程建立一条端到端的电路 例如 在图2 38中 H1站要与H3站建立一个连接 典型的做法是 H1站先向与之相连的A节点提出请求 然后 A节点在通向C节点的路径上找到下一个支路 2 8数据交换技术 2 数据传输当电路ABC建立起来以后 数据就可以从A发送到B 再由B交换到C C也可以经B向A发送数据 这种数据传输有最短的传播延迟 并且没有阻塞问题 除非有意外的线路或节点故障而使电路中断 在整个数据传输过程中 所建立的电路必须始终保持连接状态 3 电路拆除在数据传输结束后 由某一方A或C发出拆除请求 然后逐节拆除到对方节点 被拆除的信道空闲后 就可被其他通信使用 电路交换方式的优点是数据传输可靠 迅速及时 数据不会丢失 且保持原来的序列 缺点是信道长时间被占用 即使信道空闲时 他人也不能使用 造成信道利用率低 此外 在数据传输所花时间不太长的情况下 建立和拆除所用时间得不偿失 因此 电路交换适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况 2 8数据交换技术 2 8 2报文交换在有些场合下 终端之间的数据交换是随机状态和突发状态的 如果此时使用上述的电路交换 势必暴露出电路交换方法的诸多缺点 造成信道容量和有效时间的浪费 使用报文交换方式可以得到较好的效果 1 报文交换的工作过程报文交换方式的数据传输单位是报文 所谓报文就是站点一次性要发送的数据块 其长度不限且可变 报文交换不需要在两个站点之间建立专用通路 传送方式采用 存储 转发 方式 当一个站点要发送报文时 它先将一个目的地址附加到报文上 网络节点根据报文上的目的地址信息 把报文发送到下一个节点 一直逐个节点地转送到目的的节点 2 8数据交换技术 2 报文交换与电路交换的比较与电路交换比较 报文交换的主要优点有 1 电路利用率高 2 在电路交换网路上 当通信量变得很大时 就不能接受新的呼叫 而在报文交换网络上 通信量大时仍然可以接收报文 不过传送延迟会增加 3 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地 而电路交换网络很难做到这一点 4 报文交换网络可以进行速度和代码的转换 报文交换的主要缺点是 它不能满足实时或交互式的通信要求 报文经过网络的延迟时间长 而且不固定 2 8数据交换技术 2 8 3分组交换分组交换的具体过程又可分为虚电路分组交换和数据报分组交换 1 虚电路分组交换在虚电路VC VirtualCircuit 中 为进行数据传输 网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路 无论何时 一个站都能和任何站建立多个虚电路 这种传输数据的逻辑通路就是虚电路 它之所以是 虚 的 是因这条电路不是专用的 虚电路技术的主要特点是 在数据传输之前先建立站与站之间的一条路径 2 8数据交换技术 2 数据报方式分组交换在数据报方式中 每个分组的传送是单独处理的 就像报文交换中的报文一样 每个分组称为一个数据报 每个数据报自身携带足够的地址信息 一个节点接收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一个节点 下面 对虚电路和数据报两种操作方式作一比较 虚电路分组交换适用于两端之间的长时间数据交换 尤其是在交互式会话中每次传送的数据很短的情况下 可免去每个分组要有地址信息的额外开销 数据报分组交换省去了呼叫建立阶段 它传输少量分组时比虚电路方式简便灵活 在数据报方式中 分组可以绕开故障区而到达目的地 因此 故障的影响面要比虚电路方式小得多 但数据报不保证分组的按顺序到达 数据的丢失也不会立即被发现 2 8数据交换技术 2 8 4交换技术的比较 电路交换在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路 在线路释放之前 该通路由一对用户完全占有 对于猝发式的通信 电路交换效率不高 报文交换报文从源点传送到目的地采用 存储 转发 方式 在传送报文时 一个时刻仅