链路上的数据传送技术.ppt

第3章链路上的数据传送技术 3 1基本通信方式3 2数据信号分析与信道特性3 3基带传输 频带传输与数据信号变换3 4信道的多路复用技术3 5数据的可靠传输3 6流量控制 网络通信是建立在基本链路上的 所以需解决好三个问题 通信双方的交互形式 信号的流动方向 单工 半双工 全双工 信号传输的模式 并行传输还是串行传输 远距离传输都用串行传输 链路连接的双方如何取得同步 帧级同步 字节级同步 位级同步 3 1基本通信方式 帧 传输单位 它是包含数据和控制信息的数据块 多个字节组成 长度由链路上的协议规定 帧长度从64字节 1518字节 3 1 3串行通信中的同步控制 同步目的 使收 发两端在时间上一致 依靠时钟定时定序 同步方法 位同步 字节同步 帧同步 位同步 使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步 字节同步 在字节的前后各加上一个特殊的位进行同步 帧同步 以帧符为边界实现帧的同步 字节级同步技术 字节级同步就是两端每次以字节为单位传输数据 并在字节的两端加上特殊记号 表示字节的开始和结束 以实现收发两端同步 通常采用如图3 3所示的方法 不传送时 信道一直处于高电平 表示停止 状态 1 用1位低电平 状态 0 表示起始位 接着传送1个字符 最后用1位或2 5位或2位的高电平表示停止位 数据块级的同步技术 帧同步 是在数据帧的两端加上前文和后文 表示帧的起始和结束 根据协议可以分为面向字符流和面向比特流两大类 典型的面向字符流的特殊的字符 SYN 0010110 标识帧的开始和与结束 面向比特流的传输规程是高级链路控制规程 它用7EH 01111110 作为帧的开始和结束标志 如图3 4 HDLC帧格式 链路上的全部传输都是以帧的形式进行的 帧是数据链路协议的数据单元 HDLC帧结构由报头 数据字段 报尾三部分组成 图3 4为同步传输的两种帧格式 a 面向字符的同步帧格式 b 面向位的同步帧格式 帧同步控制与透明传输帧同步控制 就是从接收到的比特流中 正确地判断一个帧的开始和结束 HDLC中采用8位的标志F Flag 来作为帧的开始和结束标志 它们都为 01111110 透明传输 在发送一个帧时 若发现有 0 后面跟着5个 1 就加一个 0 以区别标志F 在接收过程中 先确定帧的起止边界 然后对比特流进行扫描 发现连续的5个 1 就将其后的1个 0 删除 将比特流还原 这样 出现任何比特组合都不会引起对帧边界的错误判断 具有这种特点的传输称为透明传输 3 2数据信号分析与信道特性 信号的表示方法 时域表示法和频谱表示法1 时域表示法时域表示 把信号的幅值表示成时间的函数 可看出信号随时间变化的规律 图3 7为三种不同波形的信号 其中 a 的特点是幅值连续 即在一定的时间区间内幅值可以取无限多个值 这类信号称为模拟信号 b 和 c 的特点是幅值不连续 即幅值只有有限个值 如 b 只能在0 A之中取值 c 只能在 3 1 1 3 4个值之中取值 这类信号称为数字信号 3 2 1数据信号分析 信号的表示方法 时域表示法和频谱表示法2 频谱表示法频谱表示 把信号的幅值表示成频率的函数 可看出信号的频率范围 带宽 越接近正弦波 信号的带宽就越小 3 信号的传输速率数据的传输速率是指单位时间内所传输的数据量的多少 为了能够统一度量 可以采用两种方法作为传输速率的单位 一种是用单位时间T内所传输的符号数作为单位 称为码元速率 也称为波特 Baud 率 记为B 1 T 另一种单位为比特 记为b 单位时间内传送的比特数称为比特率 比特率与波特率之间关系为R R 1 T log2M 1 信道带宽就是一个信号所占有的从最低频率到最高频率的之差值 单位 Hz说明 为保证信号传输质量 信道只能传输比自己带宽小的信号宽带技术 带宽很宽的信道 一般 2 5Gb s 可在同一传输介质上实现多重 并行 传输的高速数据传输通道2 信道容量 1 信道容量概念 信道上所允许的最大数据传输速率 信道极限参数 即信道传输数据信号的速率不能超过其最大数据传输率 2 信道容量与带宽的关系实际上 限制数据传输速率也就是限制带宽 反之亦然 3 常见信道标准等级 ITU T A B C D E H信道 3 2 3信道频率特性 指信道中信号受到干扰后各次谐波的幅值衰减和相位偏移不同 造成信号的畸变 这种特性 称为信道频率特性 3 3基带传输 频带传输与数据信号变换 3 3 1基带传输和频带传输基带信号 频带信号基带信号 不经任何变换 调制 的原始信号 计算机数据通信主要指数字信号 频带信号 只包含一种或有限几种频率的交流成分信号 一般指音频模拟信号 数字数据的传输方式基带传输 不需调制 编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送 以太网 频带传输 将原始信号调制到信道的通频带宽之内进行传输宽带传输 数字信号需调制成频带模拟信号后再传送 接收方需要解调 例 通过电话模拟信道传输 例 闭路电视的信号传输 3 3 2数字信号的模拟调制 调制的关键是如何在频带信号中区分数字信号中的 0 和 1 常见3种数字数据调制的方式 1 幅移键控ASK在ASK方式中 用不同幅值的正弦载波信号来分别表示数字 1 和 0 例如 用某一幅值的正弦载波信号表示数字 1 用零幅值 无载波信号 表示数字 0 ASK的技术简单 实现容易 但抗干扰能力差 2 频移键控FSK在FSK方式中 用不同角频率的正弦载波信号来分别表示数字 1 和 0 FSK的技术简单 实现容易 抗干扰能力强 是目前最常用的方法 3 相移键控PSK在PSK方式中 用不同初相位的正弦载波信号来分别表示数字 1 和 0 它的抗干扰能力强 但实现技术复杂 具体的实现方法有 绝对调相 用相位的绝对值表示数字 1 0 相对调相 用相位的相对偏移值表示数字 1 0 和多相调相 用不同的相位值表示 0 1 码组合 如用相位相差 2的相位值分别表示00 01 10 11 3 3 3模拟信号的数字编码 PCM技术模拟数据的数字编码是将连续的信号波形用有限个离散 不连续 的值近似代替的过程 简单地说 就是将模拟信号用数字信号近似地代替 其中最常见的方法是脉冲编码调制 PCM PulseCodeModulation 技术 简称脉码调制PCM 1 PCM基本步骤 采样 即将原波形的时间坐标离散化 得到一系列的样本值 量化 对采样得到的样本值按量级分级并取整 编码 将分级并取整的样本值转换为二进制 0 1 码 2 PCM的主要技术参数 1 采样频率 即一秒钟内的采样次数 它反映了采样点之间的间隔大小 2 测量精度测量精度是样本在垂直方向的精度 是样本的量化等级 它通过对波形垂直方向的等分而实现 1 编码与调制的区别 用数字信号承载数字或模拟数据 编码 用模拟信号承载数字或模拟数据 调制2 数字数据的数字信号编码 把数字数据转换成数字脉冲信号 常用的编码方式有 不归零码和曼彻斯特编码两种1 不归零码 NRZ 用二进制0 1表示两种电平 5V表示1 5V表示02 曼彻斯特编码 用电压的变化表示0和1 高 低的跳变代表0 低 高的跳变代表1 3 3 4数字编码 3 4信道的多路复用技术 3 4 2信道复用技术的分类 信道的复用技术有频分复用 时分复用 波分复用 1 频分多路复用技术 把一个物理信道划分为多个互不重叠的频带 逻辑信道 各相邻逻辑信道之间用 警戒频带 隔离2 时分多路复用技术 将一个传送周期划分为多个时隙 使得多路信号可分别在不同的时隙内传送3 光波多路复用技术 就是在一根光纤中能同时传输不同波长的光信号 3 5 1差错产生的原因与基本对策 差错产生原因 信道噪声 它是引起的信号畸变的主要原因 控制差错的对策 提高信道质量 提高数据的健壮性 采用差错控制协议 传输差错 传输中接收到的数据与原发的数据不一致 3 5数据的可靠传输 3 5 2差错检测 主要的检错技术是奇偶校验 Odd evenCheck 和循环冗余码校验 CRC CyclicRedundancyCheck 1 算术校验和方法2 奇偶校验方法奇偶校验码分为垂直奇偶校验码 水平奇偶校验码和水平垂直奇偶校验码 它们的冗余位少 方法简单 但纠错能力差 一般只用于要求较低的通信场合 编码步骤 将待编码的n位信息码组Cn 1Cn 2 Ci C2C1C0表达为一个n 1阶的多项式M x Cn 1xn 1 Cn 2xn 1 Cixi C1x1 C0 x0 将信息码组左移k位 形成M x xk 即n k位的信息码组Cn 1 kCn 2 k Ci k C2 kC1 kCk00 00 用k 1位的信息码组生成多项式G x 对M x xk作模2除 得到一个商Q x 和一个余数R x 显然 有M x xk Q x G x R x 将左移k位的待编码有效信息与余数R x 作模2加 即形成循环冗余校验码 3 循环冗余码检验 循环冗余码 CRC码 也叫多项式编码 如果采用循环编码的方法 发送方和接受方必须事先商定一个生成多项式G x 生成多项式的高位和低位必须是1 基本思想 将检验和加在帧的末尾 使这个带检验和的帧的多项式能被G x 除尽 当接受方收到检验和的帧时 用G x 去除它 如果有余数 则传输出错 例2 2对4位有效信息1100作循环冗余校验码 选择生成多项式G x 为1011 k 3 M x x3 x2 1100 M x x3 x6 x5 1100000 k 3 即加了3个0 模2除 M x xk G x 1100000 1011 1110 010 1011 即R x 010 模2加 得到循环冗余校验码M x x3 Q x G x R x 1100000 010 1100010作业 对信息帧1101011011和G x x4 x 1 求循环冗余检验码 11010110111110 标准CRC生成多项式G x CRC 12G x x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16G x x16 x15 x2 1CRC CCITTG x x16 x12 x5 1CRC 32G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 CRC检错方法举例 ARQ AutomationRequestForRepeat 该协议是链路层的一种协议 具有流量控制和差错控制功能 控制原理是 反馈重发 实现方法 等停差错控制 ARQ 和连续差错控制 ARQ 1 等停ARQ 发送端发送一帧 须停下等待接收端对该帧的应答 在收到接收端的应答帧后 发送端再发送下一帧 需解决问题 等待超时重发 应答丢失重发 3 5 3差错控制协议 实现方式是发送方连续发送若干个数据帧 当出错时有选择的对出错帧进行重发 1 拉回连续ARQ 后退N帧自动请求重发 技术特点 如一帧丢失或破坏 从最近一次得到应答的数据帧开始对后面的所有帧都须进行重传 引起重发的原因 帧破坏引起帧重发 数据帧丢失引起帧重发 应答帧丢失引起帧重发 1 2 连续ARQ 2 选择重发连续ARQ 选择性自动请求重发 技术特点 只须重发被破坏或丢失帧 实现手段 1 接收端具有排序功能 能对接收帧的混乱顺序排序2 ACK帧编号是对特定帧及其以前接收帧的肯定应答 而不是期待接收帧编号3 NAK帧编号是对特定破坏 或丢失 帧的否定应答 3 6 1流量控制及其基本策略 3 6流量控制与滑动窗口协议 流量控制技术是一种协调收 发之间工作步调的技术 目的是解决数据在远距离传输时出现的数据丢失问题 典型的流量控制技术是 滑动窗口协议窗口 是发 收各方自建的缓冲区 用于存储双方的数据帧 协议利用窗口技术 从发送 接收两方来限制用户对资源的需求 并通过接收方来控制发送方的发送数量 协议的基本思想 某一时刻 发送方只能发送落在发送窗口内的几个数据单元 接收方也只能接收落在接收窗口内的几个数据单元 滑动窗口协议实现链路上数据流量控制的方法 实际上 不仅在数据链路层 在网络层和运输层都要进行流量控制 如路由器也有流量控制的功能 1 拥塞与死锁当网上传输的数据量增加到一定程度时 网络的吞吐量下降 这种现象称为 拥塞 Congestion 传输数据量急剧增加时 丢弃的数据帧不断增加 从而引起更多的重发 重发数据所占用的缓冲区得不到释放 又引起更多的数据帧丢失 这种连锁反应将很快波及全网 使通信无法进行 网络处于 死锁 Deadlock 状态 陷于瘫痪 图3 32网络系统吞吐量与输入负载的关系 2 流量控制的基本策略防止拥塞和死锁的办法是制定网上交通规则 进行流量控制 从原理上说 拥塞和死锁是网上可用资源不能满足各用户资源需求造成的 即所有用户资源需求 可用资源由此 可以得到进行流量控制的基本策略 增加用户可用资源 限制用户资源需求 常见用户资源需求限制策略 1 等待传输法 2 预约缓冲区法 3 数据单元丢弃法 4 许可证法 3 用户资源需求限制策略下面介绍几种通过限制用户资源需求来控制流量的策略 1 等待传输法当接收节点的缓冲区将被占满 死锁来临之前 向发送节点发送暂停发送信息 当危险解除后 再通知发送节点恢复发送 2 预约缓冲区法源主机在开始传输数据之前 首先了解目的主机的可用缓冲区大小 预约一定大小的缓冲区 根据分配的缓冲区大小控制数据的发送量 当缓冲区用完后 等待对方重新分配缓冲区 3 数据单元