第2章_计算机网络的基本原理

第2章计算机网络的基本原理 2 1数据通信的基本概念2 2数字信号的频谱与数字信号的特性2 3模拟传输2 4数字传输2 5多路复用技术2 6数据交换方式2 7流量控制2 8差错控制2 9路由选择技术2 10无线通信2 11卫星通信 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据 信息和信号2 1 2通信系统模型2 1 3数据传输方式2 1 4串行通信与并行通信2 1 5数据通信方式2 1 6数字化是信息社会发展的必然趋势 2 1 1数据 信息和信号 1 数据数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号 它是信息的载体 可以是数字 文字 语言 图形和图像等 2 信息信息是数据的集合 含义与解释 数据与信息的比较 数据相对具体 信息相对抽象概括 两者相对存在 3 信号信号是数据的电磁波表示形式 信号可以分为模拟信号与数字信号两种 模拟信号是随时间连续变化的信号 数字信号是离散信号 如图2 1所示 2 1 1数据 信息和信号 2 1 2通信系统模型 通信系统模型如图2 2所示 图2 2通信系统的模型 2 1 2通信系统模型 信源是产生和发送信息的一端 信宿是接受信息的一端 变换器和反变换器均是进行信号变换的设备 在实际的通信系统中有各种具体的名称 如信源发出的是数字信号而要以模拟信号传输 则用调制解调器 信源发出的是模拟信号而要以数字信号传输 则用编码解码器 信道即信号的通道 它是任何通信系统中最基本的组成部分 它的定义有两种 即 狭义信道指传输信号的物理传输介质 如双绞线信道 光纤信道 广义信道指通信信号经过的整个途径 它包括各种类型的传输介质和中间相关的通信设备等 最常用的是调制信道 如图2 3 2 1 2通信系统模型 图2 3调制信道的范围是从调制器的输出端至解调器的输入端编码信道指由编码器的输出到解码器的输入之间的部分 2 1 3数据传输方式 1 模拟传输模拟传输指信道中传输的为模拟信号 当传输的是模拟信号时 可以直接进行传输 当传输的是数字信号时 进入信道前要经过调制解调器调制 变换为模拟信号 如图2 4所示 a 为当信源为模拟数据时的模拟传输 b 为当信源为数字数据时的模拟传输 其主要优点在于信道的利用率较高 但是其在传输过程中信号会衰减 会受到噪声干扰 且信号放大时噪声也会放大 2 1 3数据传输方式 图2 4模拟传输 a 信源为模拟数据 b 信源为数字数据 2 1 3数据传输方式 2 数字传输数字传输指信道中传输的为数字信号 当传输的信号是数字信号时 可以直接进行传输 当传输的是模拟信号时 进入信道前要经过编码解码器编码 变换为数字信号 如图2 5所示 a 为当信源为数字数据时的数字传输 b 为当信源为模拟数据时的数字传输 其主要优点是 信号传输不失真 误码率低 能被复用和有效地利用设备 但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽得多 因此数字传输的信道利用率较低 2 1 3数据传输方式 图2 5数字传输 a 信源为数字数据 b 信源为模拟数据 串行通信指数据流一位一位地传送 从发送端到接收端只要一根传输线即可 易于实现 并行通信是一次同时传送一个字节 字符 即8个码元 并行传送传输速率高 但传输设备要增加7倍 一般用于近距离范围要求快速传送的地方 如计算机与输出设备打印机的通信一般是采用并行传送 串行传送虽然速率低 但节省设备 是目前主要采用的一种传输方式 特别是在远程通信中一般采用串行通信方式 2 1 4串行通信与并行通信 2 1 5数据通信方式 单工 半双工与全双工通信单工通信方式 在单工信道上信息只能在一个方向传送 发送方不能接收 接受方不能发送 半双工通信方式 在半双工信道上 通信双方可以交替发送和接收信息 但不能同时发送和接收 在一段时间内 信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递 全双工通信方式 这是一种双向可同时进行信息的传递的通信方式 2 异步传输和同步传输异步传输 把各个字符分开传输 字符与字符之间插入同步信息 同步传输 发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYN 接收方只要检测到两个以上SYN字符时 即可确认已进入同步状态 准备接收数据 2 1 5数据通信方式 图2 6异步传输 图2 7同步传输 2 1 6数字化是信息社会发展的必然趋势 1 目前计算机绝大部分是数字机 而数字机只能对数字数据进行存储和处理 因此 文字 声音 视频 图像等模拟数据 必须变换为数字数据后才能存入计算机 才能进行处理 2 数字信号只取有限个离散值 在传输过程中即使受到噪声的干扰 只要没有畸变到不可辨认的程度 就可以用信号再生的方法进行恢复 所以 数字传输能使信号不失真地正确传送 传输质量优于模拟传输 这就是数字电话比传统的模拟电话更清晰的原因 并且在传输工程中 数据信号还可以进行压缩 加密 这样就可以提高传输的效率和安全性 3 计算机等数字设备的主要器件是集成电路 芯片 其造价越来越低 综上所述 所以人们使用数字设备是大势所趋 2 2数字信号的频谱与数字信道的特性 2 2 1傅立叶分析2 2 2周期矩形脉冲信号的频谱2 2 3数字信道的特性2 2 4基带传输 频带传输和宽带传输 2 2 1傅立叶分析 任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合成的 根据傅立叶分析法 可以把一个周期为T的复杂函数表示为无限个正弦和余弦函数之和 2 2 2周期矩形脉冲信号的频谱 1 频谱频谱指组成周期信号各次谐波的振幅按频率的分布图 如图2 8所示 图2 8信号的频谱图 周期性矩形脉冲及其频谱 如图2 8所示 图2 9周期性脉冲及其频谱 2 2 2周期矩形脉冲信号的频谱 2 2 2周期矩形脉冲信号的频谱 2 带宽信号的带宽是描述信号的一个重要参数 同时也是描述传输系统的一个重要参数 信号是由特定的电磁波来传输的 而电磁波都有一定的频率范围 信号的带宽是指信号含有的频带宽度 在实际应用中指信号能量比较集中的频率范围 周期性矩形脉冲的带宽为 f T分别为周期性矩形脉冲的频率和周期 信号带宽与脉冲宽度成反比 由此可知传送的脉冲的频率越高 即脉冲越窄 要求信道的带宽越大 2 2 2周期矩形脉冲信号的频谱 信道的带宽指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的1 倍的两个频率之间的区间宽度 如图2 10所示 图2 10信道带宽 1 信道容量 波特率和数据速率一个码元携带的信息量n 比特 与码元取的离散值个数N具有如下关系 波特率 波特率也叫码元速率 表示单位时间内信号波形的变换次数 即通过信道传输的码元个数 若信号码元宽度为T秒 则码元速率B 1 T 单位叫波特 奈氏定理 奈奎斯特1924年推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率 若信道带宽为W 则奈氏定理的最大码元速率为B 2W Baud 奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限 2 2 3数字信道的特性 数据速率 单位时间内信道上传送的信息量 比特数 信道容量 信道中能不失真地传输脉冲序列的最高速率 在一定波特率下提高数据速率的途径是用一个码元表示更多的比特数 若把两比特编码为一码元 则数据速率可成倍提高 有以下公式 2 2 3数字信道的特性 2 2 3数字信道的特性 数据速率 比特 秒 与码元的传输速率 波特 是两个不同的概念 两者在数量上有上述公式所描述的关系 若1个码元只携带1bit的信息量 则两者在数值上是相等的 即R B 但若使1个码元携带nbit的信息量 则MBaud的码元传输速率所对应的数据速率为Mnbps 例如 有一个带宽为3kHz的理想低通信道 其码元传输速率为6000baud 而最高数据速率可随编码方式的不同而有不同的取值 若1个码元能携带2bit的信息量 则最高的数据速率为12000bps 这些都是不考虑噪声的理想情况下的极限值 至于有噪声影响的实际信道 则远远达不到这个极限 2 2 3数字信道的特性 2 误码率香农提出有噪声信道的极限数据速率用下述公式计算 误码率可用来表示传输二进制位时出现差错的概率 以下公式中Pe表示误码率 Ne表示出错位数 N为传送的总位数 2 2 3数字信道的特性 3 信道延迟信号在信道中从源端到达宿端需要的时间即为信道延迟 它与信道的长度及信号传播速度有关 例如 远离地面3 6万公里的卫星 上行和下行的时延均约270ms 2 2 4基带传输 频带传输和宽带传输 计算机网络通信系统依其传输介质的频带宽度可分为两类 基带系统和宽带系统 两者的差别是传输介质的带宽不同 允许的数据传输速率也不同 基带系统只传输一路信号 既可以是数字信号也可以是模拟信号 但通常是数字信号 宽带介质实际上可划分为多条基带信道 由于数字信号的频带很宽 故不能在宽带系统中直接传输 必须将其转化为模拟信号方可在宽带系统中传输 宽带系统通常传输的是模拟信号 2 2 4基带传输 频带传输和宽带传输 1 基带传输所谓基带指的是基本频带 也就是数据编码电信号所固有的频带 这种信号可称为基带信号 所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输 它将占用线路的全部带宽 也可称为数字基带传输 2 频带传输进行远距离数据传输时 一般要借用已有的通信网 如电话网 而数据的原始形式是数字信号 基带信号 它无法在带宽较窄的通信网中传输 需要将带宽很宽的数字信号 基带信号 变换为带宽符合通信网要求的模拟信号 而这种模拟信号通常由某一频率或某几个频率组成 它占用了一个固有频带 所以称为频带传输 2 2 4基带传输 频带传输和宽带传输 3 宽带传输宽带的概念来源于电话业 指的是比4kHz更宽的频带 宽带传输系统使用标准的有线电视技术 可使用的频带高达300MHz 常常到450MHz 2 3模拟传输 2 3 1模拟传输系统2 3 2调制解调器 2 3 1模拟传输系统 传统的电话通信系统是典型的模拟传输系统 目前全世界的电话机已远远超过十亿部 如此多的电话要互连成网 唯一可行的办法就是分级交换 我国的电话网络现分5级 上面4级是长途电话网 最低一级是市话网 4级长途交换中心从上到下分别是 一级中心 又称大区中心或省间中心 二级中心 又称省中心 三级中心 又称地区中心或县间中心 四级中心 又称县中心 每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网 在这以下就是市话交换局 又称为端局 直接与其管辖范围内的各电话用户相连 目前只有各端局范围内因历史原因仍为模拟传输 而各交换中心长途干线之间均为数字传输 2 3 1模拟传输系统 五级中心 一级中心 二级中心 三级中心 四级中心 端局 电话系统拓扑结构示意图 2 3 2调制解调器 1 调制方式进行调制时 常把正弦信号作为基准信号或载波信号 调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号 调制信号 的过程 基于载波信号的三个主要参数 可把调制方式分为三种 振幅调制 频率调制 相位调制 可分别简称为调幅 调频 调相 如图2 11所示 图2 11三种模拟调制方式 2 3 2调制解调器 1 调幅 AM AmplitudeModulation 调幅即指载波的振幅随计算机送出的基带数字信号变化而变化 2 调频 FM FrequencyModulation 调频即指载波的频率随计算机送出的基带数字信号变化而变化 3 调相 PM PhaseModulation 调相指载波的初始相位随计算机送出的基带数字信号变化而变化 2 3 2调制解调器 为了提高信息的传输速率 还经常采用四相调制和八相调制方式 这两种调制方式的数字信息的相位分配情况如图2 12所示 图2 12四相位 八相位调制方式的相位分配 2 3 2调制解调器 2 调制解调器的分类按应用环境分为音频Modem 基带Modem 无线Modem 按传输速率分为低速Modem 中速Modem 高速Modem 按功能先进性分为人工拨号Modem 自动拨号 自由应答式Modem 智能Modem 按调制方式分为频移键控Modem 相移键控Modem 相位幅度调制Modem 按使用线路分为拨号线modem 专线modem和cablemodem 2 4数字传输 2 4 1脉码调制2 4 2数字数据信号编码2 4 3字符编码 2 4 1脉码调制 为了将模拟电话信号转变为数字信号 必须对电话信号进行取样 即每隔一定的时间间隔 取模拟信号的当前值作为样本 该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值 一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值 取样的频率可根据奈氏取样定理确定 奈氏取样定理表述为 只要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍 则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号 即 2 4 1脉码调制 图2 13PCM的基本原理 a 模拟电话信号 b 取样后的脉冲信号 c 编码后的数字信号 d 解码后的脉冲信号 e 恢复后的模拟电话信号 2 4 1脉码调制 为有效利用传输线路 通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用的方法装成帧后再一帧一帧地传输 图2 14说明了EI的时分复用帧的构成 PCM有两个互不兼容的国际标准 北美的24路PCM T1 和欧洲的30路PCM E1 T1的速率是1 544Mbps E1的速率是2 048Mbps 我国采用的是E1标准 图2 14 2 4 1脉码调制 数字传输系统高次群的话路数和数据率 如下表所示 2 4 2数字数据信号编码 基带传输中采用的编码方式常用的有以下3种 不归零编码NRZ规定用负电平表示 0 用正电平表示 1 亦可有其他表示方法 为保证收发正确 必须另外传送时钟同步信号 且如果 1 与 0 个数不相等时 存在直流分量 增大了损耗 如图2 15 a 所示 2 4 2数字数据信号编码 曼氏编码曼氏编码自带同步信号 每个比特持续时间分为两半 发送 0 时 前一半时间为高电平 后一半时间为低电平 发送 1 时 前一半时间为低电平 后一半时间为高电平 中间的跳变作为同步信号 曼氏编码不含直流分量 但编码效率较低 如图2 15 b 所示 差分曼氏编码差分曼氏编码是对曼氏编码的改进 它与曼氏编码的不同之处主要是 每比特的中间跳变仅做同步用 每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定 发生跳变表示 0 不发生跳变表示 1 如图2 15 c 所示 2 4 2数字数据信号编码 图2 15数字数据信号编码波形 2 4 3字符编码 数字传输时 在信道上传送的数据都是以二进制位的形式出现的 如何组合 0 与 1 这两种码元 使之代表不同的字符或信息 数据信息和控制信息 叫做字符编码 国际标准化组织1967年推荐了一个7单位编码 每个字符由七位二进制码元组成 另外附加一位奇偶校验位 即国际标准ISO646 为世界各国广泛采用 我国1981年由国家标准总局公布了信息处理交换用7单位编码 与ISO646的7单位编码一致 国标代号GB1988 80 该字符集与美国ASCII字符集基本一致 2 5多路复用技术 2 5 1频分多路复用2 5 2时分多路复用2 5 3光波分多路复用 2 5 1频分多路复用 FDM 在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下 可将该物理信道的总带宽按频率分割成若干个和传输的单个信号带宽相同的子信道 每一个子信道传输一路信号 如图2 16所示 图2 16频分多路复用FDM 2 5 2时分多路复用 TDM 1 时分多路复用原理将一条物理线路按时间分成一个个的时间片 每个时间片称为一帧 每帧长125 s 再分为若干时隙 轮换地为多个信号所使用 如下图所示 2 5 2时分多路复用 TDM 2 同步时分多路复用和异步时分多路复用同步时分多路复用 STDM 同步时分多路复用是指时分方案中的时隙是预先分配好的 时隙与数据源是一一对应的 不管某一个数据源有无数据要发送 对应的时隙都是属于它的 各数据的传输定时是同步的 在接受端 根据时隙的序号来分辨是哪一路数据 以确定各时隙上的数据应当送往哪一台主机 如图2 17所示 2 5 2时分多路复用 TDM 图2 17同步时分多路复用 2 5 2时分多路复用 TDM 异步时分多路复用 ATDM 异步时分多路复用是指各时隙与数据源无对应关系 系统可以按照需要动态的为各路信号分配时隙 各时隙与数据源无对应关系 为使数据传输顺利进行 所传送的数据中需要携带供接收端辨认的地址信息 因此异步时分复用也称为标记时分复用技术 如图2 18所示 ATM技术中的传输就是这种方式 2 5 2时分多路复用 TDM 图2 18异步时分多路复用 2 5 3光波分多路复用 WDM 1 基本原理在发送端将不同波长的光信号组合起来 复用到一根光纤上 在接受端又将组合的光信号分开 解复用 并送入不同的终端 如图2 19所示 图2 19光波分多路复用单纤传输 2 5 3光波分多路复用 WDM 2 5 3光波分多路复用 WDM 2 DWDM系统特点和应用以DWDM技术为核心DWDM系统可以更充分地利用光纤的巨大带宽资源 增加光纤的传输容量 DWDM系统具有如下特点 超大容量对数据率 透明 系统升级时能最大限度地保护已有投资高度的组网灵活性 经济性和可靠性可兼容全光交换 2 5 3光波分多路复用 WDM 3 DWDM系统结构DWDM系统有两种基本结构 单纤双向DWDM系统和双纤单向DWDM系统 单纤双向DWDM系统单纤双向DWDM系统结构如图2 20所示 在这种系统中 用一条光纤实现两个方向信号同时传输 因而也称为单纤全双工通信系统 实现这种系统的关键思想是两端都需要一组复用 解复用器MD Multiplexer Demultiplexer 图中T Tranfer 为光发送器 R Receptor 为光接收器 2 5 3光波分多路复用 WDM 3 DWDM系统结构DWDM系统有两种基本结构 单纤双向DWDM系统和双纤单向DWDM系统 单纤双向DWDM系统单纤双向DWDM系统结构如图2 21所示 在这种系统中 用一条光纤实现两个方向信号同时传输 因而也称为单纤全双工通信系统 实现这种系统的关键思想是两端都需要一组复用 解复用器MD Multiplexer Demultiplexer 图中T Tranfer 为光发送器 R Receptor 为光接收器 2 5 3光波分多路复用 WDM 图2 20光波分多路复用单纤双向传输系统结构图 2 5 3光波分多路复用 WDM 3 DWDM系统结构双向单纤DWDM系统双向单纤DWDM系统如图2 21所示 双向单纤传输就是一根光纤只传输一个方向光信号 相反方向的光信号的传输由另一根光纤完成 2 5 3光波分多路复用 WDM 图2 21光波分多路复用双向单纤传输系统结构图 2 5 3光波分多路复用 WDM 4 DWDM系统的关键设备DWDM系统中使用的主要设备有 DWDM激光器 光波分复用器 光接收器 光放大器 2 6数据通讯媒体 2 6 1双绞线2 6 2同轴电缆2 6 3光缆2 6 4自由空间 2 6 1双绞线 把两根互相绝缘的铜导线用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线 如图2 20所示 互绞可以使线间及周围的电磁干扰最小 电话系统中使用双绞线较多 差不多所有的电话都用双绞线连接到电话交换机 通常由一对或多对双绞线组成 在其外面包上硬的护套 图2 20双绞线 2 6 1双绞线 双绞线用于模拟传输或数字传输 其通信距离一般为几公里到十几公里 对于模拟传输 当传输距离太长时要加放大器 以将衰减了的信号放大到合适的数值 对于数字传输则要加中继器 以将失真了的数字信号进行整形放大 双绞线主要用于点到点的连接 如星形拓扑结构的局域网中 计算机与集线器Hub之间常用双绞线来连接 但其长度不超过100米 双绞线也可用于多点连接 作为一种多点传输介质 它比同轴电缆的价格低 但性能要差一些 双绞线按其是否有屏蔽 可分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线 双绞线还可以按其电气特性进行分级或分类 电气工业协会 电信工业协会 EIA TIA 将其定义为7种型号 局域网中常用第5类和第6类双绞线 它们都为无屏蔽双绞线 均由4对双绞线构成一条电缆 2 6 2同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线 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 21所示 这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁波 也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号 因而具有很好的抗干扰特性 被广泛用于较高速率的数据传输 通常按特性阻抗数值的不同 将其分为基带同轴电缆 50 同轴电缆 和宽带同轴电缆 75 同轴电缆 图2 21同轴电缆 2 6 2同轴电缆 基带同轴电缆的特性阻抗为50 仅用于传输数字信号 并使用曼彻斯特编码方式和基带传输方式 即直接把数字信号送到传输介质上 无需经过调制 故把这种电缆称为基带同轴电缆 宽带同轴电缆的特性阻抗为75 带宽可达300 500MHz 用于传输模拟信号 它是公用天线电视系统CATV中的标准传输电缆 目前在有线电视中广为采用 在这种电缆上传送的信号采用了频分多路复用的宽带信号 故75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆 2 6 3光缆 光导纤维电缆 简称光缆 是网络传输介质中性能最好 应用前途广泛的一种 以金属导体为核心的传输介质 其所能传输的数字信号或模拟信号 都是电信号 而光纤则只能用光脉冲形成的数字信号进行通信 有光脉冲相当于1 没有光脉冲相当于0 光纤通常由极透明的石英玻璃拉成细丝作为纤芯 外面分别有包层 吸收外壳和防护层等构成 图2 22是一根光纤剖面的示意图 图2 22光纤剖面的示意图 2 6 3光缆 包层较纤芯有较低的折射率 当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时 其折射角将大于入射角 如图2 23 a 所示 因此 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射回纤芯 这个过程不断重复 光也就沿着光纤向前传输 图2 23 b 画出了光波在纤芯中传输的示意图 图2 23光线射入到光缆和包层界面时的情况 2 6 3光缆 典型的光纤传输系统的结构如图2 24所示 光纤传输速率可达几千Mbps 目前投入使用的光纤在几公里范围内速率可达几百Mbps 在1km范围内 能以1000Mbps的速率发送数据 大功率的激光器可以驱动100km长的光纤而不带中继器 图2 24光缆传输系统结构示意图 2 6 4自由空间 1 微波信道和卫呈信道 1 微波信道微波通信是把微波信号作为载波信号 用被传输的模拟信号或数字信号来调制它 故微波通信是模拟传输 由于微波的频率很高 故可同时传输大量信息 又由于微波能穿透电离层而不反射到地面 故只能使微波沿地球表面由源向目标直接发射 微波在空间是直线传播 而地球表面是个曲面 因此其传播距离受到限制 一般只有50km左右 但若采用100m高的天线塔 则距离可增大到l00km 此外 因微波被地表吸收而使其传输损耗很大 2 6 4自由空间 2 卫星信道为了增加微波的传输距离 应提高微波收发器或中继站的高度 当将微波中继站放在人造卫星上时 便形成了卫星通信系统 如图2 25所示 例如可以利用位于36000km高的人造同步地球卫星作为中继器 进行微波通信 图2 25卫星微波通信 地面接收 发送站 2 6 4自由空间 2 红外线信道和激光信道 1 红外线信道红外线是一种较新的无线传输介质 它利用红外线来传输信号 常见于电视机等家电中的红外线遥控器 在发送端设有红外线发送器 接收端有红外线接收器 发送器和接收器可任意安装在室内或室外 但需使它们处于视线范围内 即两者彼此都可看到对方 中间不允许有障碍物 2 6 4自由空间 2 激光信道在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据 和地面微波或红外线一样 可以在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信 如图2 26所示 激光通信与红外线通信一样是全数字的 不能传输模拟信号 激光也具有高度的方向性 从而难于窃听 插入数据及干扰 激光同样受环境的影响 特别当空气污染 下雨下雾 能见度很差时 可能使通信中断 图2 26激光通信 2 6数据交换方式 2 6 1线路交换2 6 2报文交换2 6 3分组交换2 6 4高速交换 2 6 1线路交换 通信子网可分为广播通信网和交换通信网 在广播通信网中 通信是广播式的 无中间节点进行数据交换 所有网络节点共享传输媒体 图2 22所示的通信子网即为交换通信网 其由若干网络节点按任意拓扑结构互联而成 以交换和传输数据为目的 图2 22交换通信子网 2 6 1线路交换 对于交换网 数据交换方式按照网络结点对途经的数据流所转接的方法不同来分类 目前广泛采用的交换方式有两大类 线路交换 CircuitSwitching 网络结点内部完成对通信线路 在空间上或时间上 的连通 为数据流提供专用的传输通路 线路交换也称电路交换 存储转发交换 Store and forwardExchanging 网络结点运用程序先将途经的数据流按传输单元接收并存储下来 然后选择一条合适的链路将它转发出去 在逻辑上为数据流提供了传输通路 2 6 1线路交换 1 线路交换的三个阶段 线路建立阶段 通过呼叫完成逐个结点的接续过程 建立起一条端到端的直通线路 数据传输阶段 在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据 线路拆除阶段 数据传输完成后 拆除线路连接 释放结点和信道资源 2 6 1线路交换 2 线路交换的特点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用 对于突发式的通信 电路交换效率不高 2 6 2报文交换 1 报文交换的原理报文交换的数据传输单位是报文 报文就是站点一次要发送的数据块 其长度不限 当一个站要发送报文时 它将一个目的地址附加到报文上 网络结点根据报文上的目的地址信息 把报文发送到下一个结点 一直逐个结点地转送到目的结点 每个结点在收到整个报文并检查无误后 就暂存这个报文 然后利用路由信息找出下一个结点的地址 再把整个报文传送给下一个结点 因此 端与端之间无需先通过呼叫建立连接 整个交换过程如前面图2 22所示 2 7 2报文交换 2 报文交换的特点报文交换方式的特点是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 一个时刻仅占用一段通道 在交换结点中需要缓冲存储 报文需要排队 故报文交换不能满足实时通信的要求 2 6 3分组交换 1 数据报传输分组交换在数据报分组交换中 每个分组的传送是被单独处理的 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 一个结点收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和结点所储存的路由信息 找出一个合适的链路 把数据报原样地发送到下一结点 2 6 3分组交换 2 虚线路分组交换在虚线路分组交换中 为了进行数据传输 网络的源结点和目的结点之间要先建一条逻辑通路 每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符 在预先建好的路径上的每个结点都知道把这些分组引导到哪里去 不再需要路由选择判定 最后 由某一个站用清除请求分组来结束这次连接 它之所以是 虚 的 是因为这条电路不是专用的 可以被共享 整个交换过程如图2 23示 2 6 3分组交换 图2 23虚线路分组交换 2 6 3分组交换 数据报方式与虚线路方式的主要区别如表2 2所示 表2 2数据报与虚线路的主要区别 主要特点 电路交换 在数据传输之前必须先设置一条完全的通路 在线路拆除 释放 之前 该通路由一对用户完全占用 电路交换效率不高 但是实时性好 报文交换 报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式 报文需要排队 因此报文交换不适合于交互式通信 不能满足实时通信的要求 分组交换 分组交换方式和报文交换方式类似 但报文被分成分组传送 并规定了最大长度 分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术 适用于交换中等或大量数据的情况 2 6 3分组交换 2 6 4高速交换 1 帧中继交换帧中继交换是在X 25分组交换的基础上 简化了差错控制 流量控制和路由选择功能而形成的一种新型交换技术 它利用光纤高传输速率和低误码率的特点 减少了结点处理的时间 以帧为单位进行传输 X 25分组交换与帧中继交换的比较如表2 4所示 2 6 4高速交换 表2 4X 25分组交换与帧中继交换的比较 2 048Mbsp 2 6 4高速交换 2 异步传输模式ATM异步传输模式ATM主要采用了信元交换和异步时分多路复用技术 同步传输过程在使用时隙时会有一定的浪费 如图2 24所示 在输入端第三个时隙的信息到来时 将其存入缓冲器中 输出时 它占用第五个时隙 以后每帧信息进来 第三个时隙的信息经过交换后都送到第五个时隙输出图2 24固定时隙交换 2 6 4高速交换 前已指出 异步时分多路复用不固定时隙 每个时隙的信息中都带有地址信息 将数据分成定长53字节的信元 一个信源占用一个时隙 时隙分配不固定 更充分的利用了线路的通信容量和带宽 如图2 25所示 图2 25ATM的传输与交换 2 6 4高速交换 3 光交换技术光交换技术是指不经过任何光 电转换 在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端 光交换系统主要由输入接口 光交换矩阵 输出接口和控制单元4部分组成 光交换技术可分为 光电路交换光时分交换技术光波分交换技术光空分交换技术光码分交换技术 2 6 4高速交换 光分组交换光突发交换技术光标记分组交换技术 2 7流量控制 2 7 1流量控制概述2 7 2流量控制技术 2 7 1流量控制概述 1 流量控制的含义所谓流量控制就是调整发送信息的速率 接收结点能够及时处理它们的一个过程 2 流量控制的目的流量控制是为了防止网络出现拥挤及死锁而采取的一种措施 当发至某一接收结点的信息速率超出该结点的处理或转换报文的能力时 就会出现拥挤现象 因此 防止拥挤的问题就简化为各结点提供一种能控制来自其他结点的信息速率的方法问题 2 7 1流量控制概述 流量控制的另一目的是使业务量均匀地分配给各个网络结点 因此 即使在网路正常工作情况下 流量控制也能减少信息的传递时延 并能防止网络的任何部分 相对于其余部分来说 处于过负荷状态 2 7 2流量控制技术 1 停止 等待控制停止 等待控制方法是最简单的一种流量控制技术 它采用单工或半双工通信方式 当发送方发送完一数据帧后 便等待接收方发回的反馈信号 若收到的是肯定 ACK Acknowledgement 信息 则接着发送下一帧 若收到的是否定 NAK NegativeAcKnowledgement 信息超时而没有受到反馈信号 则重发刚刚发过的数据帧 2 7 2流量控制技术 下面我们以图2 26为例 讨论停止 等待控制方法的传输过程 初始时 发送方当前发送的帧序号N s 1 接收方将要接收的帧序号N R 1 当发送方开始发送时 首先从缓冲区取出0号帧发送出去 当接收方收到发送方送来的0号帧时 首先进行帧校验 如果校验正确且帧序号一致 则向发送方返回一个肯定应答信号 ACK 然后准备接收下一帧 如果帧校验有误或帧序号不一致 则向发送方返回一个否定应答信号 NAK 要求发送方重新发送该数据帧 发送方收到应答信号后 根据接收方返回的肯定或否定信号 确定是发送下一数据还是重发原数据帧 超时重发是指原数据帧 超时时间的设置要适当 避免造成不必要的浪费 2 7 2流量控制技术 停止 等待流量控制的优点是控制简单 但也造成传输过程中吞吐量的降低 从而使得传输线路的使用率不高 图2 26停止 等待方式 2 7 2流量控制技术 2 滑动窗口流量控制为了提高传输效率 使用滑动窗口控制方法是一种更为有效的策略 它采用全双工通信方式 发送方在窗口尺寸允许的情况下 可连续不断的发送数据帧 这样就大大提高了信道使用率 2 7 2流量控制技术 1 发送窗口和接收窗口发送窗口 发送窗口是指发送方允许连续发送帧的序号表 发送方在不等待应答而连续发送的最大帧数称为发送窗口的尺寸 接收窗口 接收窗口是指接收方允许接收帧的序号表 凡是发送到接收窗口内的帧 才能被接收方所接收 在窗口外的其它帧将被丢弃 窗口滑动 发送方每发送一帧 窗口便向前滑动一个格 直到发送帧数等于最大窗口数目时便停止发送 2 7 2流量控制技术 2 窗口的滑动过程发送窗口的大小 宽度 规定了发送方在未接到应答的情况下 允许发送的数据单元数 也就是说 窗口中能容纳的逻辑数据单元数 就是该窗口的大小 图2 27发送窗口的工作原理 2 8 2流量控制技术 2 7 2流量控制技术 图2 28说明了接收窗口的移动窗口 其窗口大小为4 图2 32接收窗口的工作原理 2 7 2流量控制技术 前面介绍了滑动窗口进行流量控制的基本原理 具体实现时 还有一些问题要处理 如 窗口宽度的控制是预先固定化 还是可适当调整 窗口位置的移动控制是整体移动 还是顺次移动 接收方的窗口宽度与发送方相同还是不同 2 8差错控制 2 8 1差错产生的原因与差错类型2 8 2差错检验与校正 2 8 1差错产生的原因与差错类型 1 传输差错和差错控制传输差错是指通过通信信道后接收数据与发送数据不一致的现象 差错控制方法指在数据通信过程中能发现或纠正差错 把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法 2 差错类型差错产生的原因 噪声 信号在传输过程中受到的噪声干扰有两种 热噪声和冲击噪声 2 8 2差错检验与校正 最常用的差错控制方法是差错控制编码 数据信息位在向信道发送之前 先按照某种关系附加上一定的冗余位 构成一个码字后再发送 这个过程称为差错控制编码过程 接收端收到该码字后 检查信息位和附加的冗余位之间的关系 以检查传输过程中是否有差错发生 这个过程称为检验过程 差错控制编码可分为检错码和纠错码 其中检错码指能自动发现差错的编码 纠错码指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码 2 8 2差错检验与校正 1 奇偶校验奇偶校验又叫垂直冗余校验 VRC 其原理 如果采用奇校验 发送端发送一个字符编码 含校验位共8位 1 的个数一定为奇数个 接收端对8个二进位中 1 的个数进行统计 若为偶数个则表明发生差错 如右图所示 2 8 2差错检验与校正 2 方块校验 水平垂直冗余校验LRC 在VRC的基础上 在一批字符传送之后 另增加一个 方块校验字符 方块校验字符的编码方式是使所传输字符代码的每一纵向位代码中 1 的个数为奇数或偶数 如下图所示 2 8 2差错检验与校正 3 循环冗余校验CRC把整个数据块当成一个连续的二进制数据 从代数上看是一个报文码多项式 在发送时将报文码多项式用另一个多项式来除 余数作为校验码附在报文之后一起发送 接收方对传送过来的码用同一生成多项式去除 能除尽则说明传输正确 如有余数意味着数据单元在传输中有差错 因此拒绝接受该数据单元 工作原理如下图所示 2 8 2差错检验与校正 下面给出计算CRC检验码的步骤 按模2计算 1 选定生成多项式 记为G x 假设其最高次幂为n 2 在数据单元的末尾加上n个0 3 采用二进制除法将新的加长的数据单元除以生成多项式所对应的字符串 有此除法产生的余数就是CRC检验码 图2 30表示以 100100 作为数据单元 通过生成多项式 1101 得到CRC检验码的过程 2 8 2差错检验与校正 图2 30 2 8 2差错检验与校正 4 海明码海明码是一种可以纠正一位差错的编码 下面举例说明海明码编码的方法 假设传送的信息为 1101001 将各个数据一次放在3 5 7 9 10 11等位置上 1 2 4 8为留作校验位 如图2 32 a 所示 根据图2 31中所示的编码规则 3 5 7 9 11号数据位的二进制编码的第一位为1 因此它们参加第1位的校验 如若采用偶校验 1号位应为0 类似地 3 6 7 10 11号位参加第2号位的校验 5 6 7号位参加第4号位的校验 9 10 11号位参加第8号位的校验 相应的2 4和8号位的校验码依次为1 0和1 最终结果如图2 32 b 所示 如果这个码字在传输中出错 例如5号位出错 当接收方按照同样规则计算奇偶校验码时 发现第2和第8号位的奇偶性正确 而第1和第4号位的奇偶性错误 由于1 4 5 立即可以判定错在5号位上 从而予以纠正 图2 32 c 反映了以上的结果 在本例中k 4 从前面的公式得到m 24 4 1 11 即数据位可用到11位 共组成15位的码字 可检测并纠正单个位置的错误 2 8 2差错检验与校正 2 9路由选择技术 2 9 1路由选择2 9 2非适应路由选择方法2 9 3自适应路由选择方法 2 9 1路由选择 路由选择又称路径控制 是指网络中的结点根据通信网络的状况 按照传输时间最短或传输路径最短等策略 选择一条可用的传输路径 将信息传给目标结点 每一网络都有反映自己特定要求决定修改路由表的原则 这些原则可以转化为一种算法 即路由选择算法 RoutingAlgorithm 一个好的路由选择算法应具有正确性 简单性 最优性 健壮性 快速收敛性和公平性 2 9 1路由选择 从考虑路由算法是否可以随网络通信量的大小或者拓扑结构的变化而改变来区分 路由选择算法大致分为两类 非适应型路由选择算法具有自适应能力的路由选择算法 2 9 2非适应路由选择算法 实际的网络往往是根据用户的分布情况和考虑经济性 可靠性的原则而连接起来 常呈现不规则的网状 对于这类网络 可选用与网络拓扑无关的随机式或扩散式路由选择技术 而对于一般拓扑结构不太复杂 路由选择要求不高且流量也较低的小型网络则常采用固定式路由选择方法以力求算法简单 扩散式 又称泛滥式 这是一种多路发送的路由选择技术 也是最简单的路由选择技术 随机式 由选择算法是按某个随机数的值来选择待发送报文分组的输出链路的方法 固定式 固定式路由选择算法的基本原理是在每一个结点上都保存一张路由表 该路由表是依据最短路由算法制定出来的到达各目的地结点的相应输出链路的集合表 2 9 3自适应路由算法 自适应路由选择算法是多数计算机网络中常常采用的方法 具体有集中式 孤立式和分布式三种 这类算法的基本思想是网络中的每个结点都要根据网络的当前运行状态 动态 地进行路由选择 这就要求结点机上的路由表能够动态地反映网络运行的变化情况 以便不断地修改网络路由 选择路由的要求是使报文分组在网络中的传输时延最小或链路上的通信量最大 2 9 3自适应路由算法 1 集中的自适应路由选择算法集中的自适应路由选择算法与前面所述的静态选择算法不同 它可以动态地修改网络结点的路由表 有以下一些缺点 一旦RCC失效 或者网络的一部分发生故障 都会导致路由表修改的失败 从而降低了传输的可靠性所修改的路由表不一定能精确而又及时地反映当前各个结点的状况为了传输每个结点的状态信息 必然造成网络的额外开销 特别是靠近RCC结点的链路 将承受更大的通信量 容易造成网络的拥塞 2 9 3自适应路由算法 为了解决以上问题 可设立多个RCC 这样一方面可以将一些RCC作为备用 另一方面可以将网络分区以实现分而治之 既可提高网络的可靠性 还可减少网络链路的通信量 降低网络的开销 2 9 3自适应路由算法 2 孤立的自适应路由选择算法孤立的自适应路由选择算法是指各结点孤立地根据本结点当前所搜集到的有关运行状态的信息来决定路由 并不与其他结点交换路由信息 这种算法实现简单 因此应用比较广泛 该算法的基本思想是让到达本结点的分组尽快离开本结点 当一个信息分组到达时 结点首先检查各输出链路的排队长度 然后 结点把该分组输送到队列最短的那一条链路上去 而不会去关心该链路通向何方 故这种算法又称为 热土豆 法 2 9 3自适应路由算法 3 分布的自适应路由选择算法这种路由选择的策略是 每个结点周期性地从相邻结点获得网络状态息 同时也将本结点做出的决定周期性地通知周围各结点 由于所有结点都周期性地与其他每个相邻结点交换路由选择信息 从而使得这些结点能不断地根据网络当前的状态更新各自的路由选择 所以整个网络的路由选择经常处于一种动态变化的状态 各个路由表相互作用是这种策略的特点 当网络状态发生变化时 必然会影响到许多结点的路由表 在分布的自适应路由选择策略中 有以下两种基本路由算法 距离矢量路由算法链路状态路由算法 2 9 3自适应路由算法 4 最短路径选择算法前已指出 在复杂的网络中 源结点和目的结点之间的路径可能有多条 这就需要通过在多条路径中选择一条最佳的路径 所谓 最佳 可以从路径最短的角度来衡量 也可按传输平均时延最短或费用最低来取舍 不管是哪一种 都可称为最短路径选择算法 常用的最短路径选择算法是DIJKSTRA算法和FORD FULKERSON算法 2 10无线通信 2 10 1蜂窝无线通信发展概述2 10 2数字蜂窝移动通信系统及主要通信技术2 10 3Adhoc无线网络通信2 10 4短距离线无通信技术 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 1 无线寻呼和无绳电话无线寻呼无线寻呼是日常生活中非常普及的一种技术 要呼叫一个有寻呼机的人时 可以打电话给寻呼服务公司并输入一个安全码 寻呼机号以及要回的电话号码 或一条短消息 无绳电话无绳电话允许人们在打电话时可以在屋里走来走去 无绳电话由两部分组成 基站和电话 它们通常是一起卖的 基站的后面有一个标准的电话插座 可以通过电话线连接到电话系统上 电话和基站通过低功率无线电波通信 范围一般为100 300m 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 2 蜂窝移动通信 1 第一代模拟蜂窝移动通信系统第一代模拟蜂窝移动通信中使用最普及的技术是先进移动电话系统AMPS AdvancedMobilePhoneSystem AMPS容量增大的关键思想是利用相对较小的单元 并且重用附近 不是邻接 单元的传送频率 频率重用的思想如图2 41所示 单元一般都近似于圆形 但是用六边形更容易表示 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 图2 41蜂窝结构示意图 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 2 第二代数字蜂窝移动通信第二代蜂窝电话是数字的 它是在AMPS基础上发展起来的 数字蜂窝无线电系统信道分配方案有3种 GSM CDPD和CDMA GSM GlobalSystemsforMobilecommunications 主要用于话音通信 但若用带有特殊调制解调器的便携机 亦可进行数据通信 其缺点 一是基站之间的接管相当频繁 每次接管会导致300ms数据的丢失 二是GSM的错误率较高 三是由于按接通的时间计费而不是按传送的字节收费 所以花费很大 解决的方法之一是采用蜂窝数字分组数据CDPD 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 蜂窝数字分组数据 CDPD CDPD CellularDigitalPacketData 实际上是蜂窝状数字式分组数据交换网络 它是以数字分组数据技术为基础 以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信技术 蜂窝移动系统起源于美国的贝尔系统 蜂窝系统的构造是以AMPS为基础并与AMPS兼容 即利用划分小区和频率复用技术 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 码分多址访问 CDMA CDMA CodeDivisionMultipleAccess 的工作原理在2 10 2中介绍 CDMA有很多优点 如容量是目前流行的GSM的3 4倍 通话质量大幅度提高 接近有线电话的通话质量 由于所有小区使用相同的频率故大大简化小区频率规划 保密性能更强 手机功耗更小 通话时间更长 增强小区的覆盖能力 减少基站数目 不会与现在的模拟和数字系统产生干扰 提供可靠的移动数据通信 可靠的软切换方式大大降低了切换的失败几率 2 10 1蜂窝无线通信发展概述 3 第三代数字蜂窝移动通信在信息时代 图像 语音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量将会大大