3第三章 物理层

第3章物理层 物理层位于OSI参考模型的最底层 它的主要功能是实现比特流的透明传输 为数据链路层提供数据传输服务 它直接面向实际承担数据的物理介质 即通信信道 物理层的传输单位为比特 即一个二进制位 0 或 1 ITU的X 25建议的DTE与DCE 3 1物理层接口与协议 3 1 1物理层接口ISO对OSI模型的物理层所作的定义为 在物理信道实体之间合理地通过中间系统 为比特流传输所需的物理连接的激活 保持和去除提供机械的 电气的 功能性和规程性的手段 比特流传输可以采用异步传输 也可以采用同步传输完成 3 1 2物理层的功能和提供的服务 1 机械特征为了使不同厂家生产的DTE DCE设备便于连接 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 锁定装置形式作了详细的规定 其几何尺寸与DCE连接相配合 插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称 ISO标准化了DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式 一般来说 DTE的连接器常用插针形式 其几何尺寸与DCE连接器相配合 2 电气特征物理层的电气特征规定了导线的电气连接及有关电路的特性 DTE与DCE接口的各根导线 也称电路 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 3 信号的功能特性物理层的功能特性规定了接口信号的来源 作用以及其它信号之间的关系 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 目前由ITU建议在物理层使用的规程有V系列标准 X系列标准 它们分别适用于各种不同的交换电路中 3 1 3物理层协议举例 1 RS 232C标准提供了一个利用公用电话网络作为传输介质 并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定 RS 232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信 与连接在两个DCE之间的电话网络没有直接的关系 RS 232C的电气特性规定逻辑 1 的电平为 15至 5伏 逻辑 O 的电平为 5至 15伏 也即RS 232C采用士15伏的负逻辑电平 5伏之间为过度区域不作定义 DTE DCE连接 若两台DTE设备 如两台计算机 在近距离直接连接方式 2 EIARS 449及RS 422与RS 423接口标准 1977年年底 EIA颁布了一个新标准RS 449 次年 这个接口标准的两个电气子标准 RS 423 采用差动接收器的非平衡方式 和RS 422 平衡方式 也相继问世 RS 449标准的电气特性有两个子标准 即平衡式的RS 422标准和非平衡式的RS 423标准 RS 422电气标准 RS 422电气标准是平衡方式标准 它的发送器 接收器分别采用平衡发送器和差动接收器 由于采用完全独立的双线平衡传输 抗串扰能力大大增强 又由于信号电平定义为士6伏 士2伏为过渡区域 的负逻辑 性能远远优于RS 232C标准 RS 423电气标准 RS 423电气标准是非平衡标准 它采用单端发送器 即非平衡发送器 和差动接收器 虽然发送器与RS 232C标准相同 但由于接收器采用差动方式 所以传输距离和速率仍比RS 232C有较大的提高eRS 423的信号电平定义为 6伏 其中 4伏为过度区域 的负逻辑 3 100系列和200系列接口标准ITUV 24建议中有关DTE DCE之间的标准有100系列 200系列两种 4 X 21和X 21bis建议ITU对DTE DCE的接口标准有V系列和X系列两大类建议 3 2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 计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线两大类 双绞线 同轴电缆和光纤是常用的三种有线传输介质 无线电通信 微波通信 红外通信以及激光通信的信息载体都属于无线传输介质 3 2 1双绞线 双绞线是最常用的传输介质 双绞线芯一般是铜质的 能提供良好的传导率 既可以用于传输模拟信号也可以用于传输数字信号 双绞线分为两种 无屏蔽的和屏蔽的 3 2 2同轴电缆 同轴电缆分为基带同轴电缆 阻抗50 和宽带同轴电缆 阻抗75 基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种 都用于直接传输数字信号 宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输 也可用于不使用频分多路复用的高数字信号和模拟信号传输 闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆 3 2 3光纤 光纤是光导纤维的简称 它由能传导光波的超细石英玻璃纤维外加保护层构成 多条光纤组成一束 就构成一条光缆 相对于金属导线来说具有重量轻 线径细的特点 光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络 光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的特征 适宜在长距离内保持高数据传输率 而且能够提供很好的安全性 光纤通信系统的基本组成 驱动电路 光源 光检测器 放大电路 光发送机光接收机 电信号光缆光缆电信号 光纤的工作原理 高折射率 纤芯 低折射率 包层 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 多模光纤与单模光纤 多模光纤 3 2 4无线传输介质 目前常用的技术按照频率由低向高排列有 无线电波 微波 红外线和可见光 由若干小区构成的覆盖区叫做区群 由于区群的结构酷似蜂窝 因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统 在蜂窝移动通信系统中 多址接人方法主要有3种 频分多址接入FDMA 时分多址接入TDMA与码分多址接入CDMA 蜂窝移动通信网的设计 涉及OSl参考模型的物理层 数据链路层与网络层 蜂窝移动通信系统 微波通信的载波频率为1OOMHz 1OGHz范围 因为频率高 可同时传送大量信息 用来传输数字数据 速率可达数Mbps 地球 微波天线 卫星通信具有通信距离远 费用与通信距离无关 覆盖面积大 不受地理条件的限制 通信信道带宽带 可进行多址通信与移动通信的优点 因此获得了迅速的发展 并成为现代主要的通信手段之一 地球同步卫星与地面站相对固定位置使用三颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长 270ms 广播式传输应用领域 电视传输长途电话专用网络广域网 35 784km 地球 3 2 5传输介质的选择 传输介质的选择取决于以下诸因素 网络拓扑的结构 实际需要的通信容量 可靠性要求 能承受的价格范围 常用传输介质的比较 3 3数据通信技术3 3 1通信信道 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 这些要求可以用下列技术指标加以描述 1 数据传输速率 所谓数据传输速率 是指每秒能传输的二进制信息位数 单位为位 秒 记为bps或b s 它可由下式确定 R 1 T log2N bps 式中T为一个数字脉冲信号的宽度 单位为秒 一个数字脉冲也称为一个码元 N为一个码元所取的有效离散值个数 也称调制电平数 N一般取2的整数次方值 若一个码元仅可取0和1两种离散值 则该码元只能携带一位二进制信息 若一个码元可取00 01 10和11四种离散值 则该码元就能携带两位二进制信息 以此类推 若一个码元可取N种离散值 则该码元便能携带log2N位二进制信息 另一个技术指标 信号传输速率 也称码元速率 调制速率或波特率 单位为波特率 信号传输速率表示单位时间内通过信道传输的码元个数 也就是信号经调制后的传输速率 若信号码元的宽度为T秒 则码元速率定义为 B 1 T Baud 一般在二元调制方式中 N 2 S和B都取同一值 因为log22 1 习惯上二者是通用的 但在多元调制的情况下 必须将它们区别开来 R 1 T log2N bps 1 T Baud B 5v 0 5v 110101101 1个码元取2个离散值 发送8个码元等于发送了8位 5v 00 2 5v 01 2 5v 10 5v 111100001001100001 t 1个码元取4个离散值 发送8个码元等于发送了16位 如采用四相调制方式 即N 4 且T 833 10 6秒则可求出数据传输率为 R 1 T log2N 1 833X10 6 log24 2400 bps 而调制速率为 B 1 T 1 833X10 6 1200 baud 2 信道容量 信道容量表征一个信道传输数据的能力 单位也用位 秒 bps 信道容量与数据传输速率的区别在于 前者表示信道的最大数据传输速率 是信道传输速率数据能力的极限 而后者则表示实际的数据传输速率 奈奎斯特首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值B与信息带宽H的关系 B 2 H Baud 其中 H是信道的带宽 也称频率范围 即信道能传输的上 下限频率的差值 单位为Hz 实际的信道总要受到各种噪声的干扰 香农则进一步研究了受随机噪声干扰的信道情况 给出了计算信道容量的香农公式 C H log2 1 S N 其中 H表示信道的带宽 S表示信号功率 N为噪声功率 S N则为信噪比 由于实际使用的信道的信噪比都要足够大 故常表示成10 log10 S N 以分贝 dB 为单位来计算 在使用时要特别注意 3 误码率 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的工作情况下的传输可靠性的指标 它定义为二进制数据传输出错的概率 设传输的二进制数据总数为N位 其中出错的位数为Ne 则误码率表示为 Pe Ne N计算机网络中 一般要求误码率低于10 9 即平均每传输109位数据仅允许错一位 若误码率达不到这个指标 可以通过差错控制方法进行检错和纠错 4 通信方式 通信有两种基本方式 即串行方式和并行方式 通常情况下 并行方式用于近距离通信 串行方式用于距离较远的通信 串行通信的方向结构 串行数据通信的方向性结构有三种 即单工 半双工和全双工 发送器 接收器 发送器 接收器 发送器 接收器 发送器 接收器 发送器 接收器 单工方式 半双工方式 全双工方式 A站 B站 可同时 不可同时 并行数据传输 串行数据传输 3 3 2模拟数据通信和数字数据通信 1 数据 数据可定义为有意义的实体 它涉及事物的存在形式 数据可分为模拟数据和数字数据两大类 2 信号 信号是数据的电子或电磁编码 对于模拟数据和数字数据 信号也可分为模拟信号和数字信号 模拟信号时间上连续 包含无穷多个信号值数字信号时间上离散 仅包含有限数目的信号值 最常见的是二值信号 t a 模拟信号 b 数字信号 信息编码 将信息用二进制数表示的方法例如 ASCII编码 BCD编码等数据编码 将数据用物理量表示的方法例如 字符 A 的ASCII编码为01000001 其数据编码可能为 信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据 二进制位 不能直接在信道上传输编码 数据 适合传输的数字信号 便于同步 识别 纠错调制 数字信号 适合传输的形式 按频率 幅度 相位解调 接收波形 数字信号解码 数字信号 原始数据 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况 模拟传输和数字传输所使用的技术 编码与调制的区别编码 用数字信号承载数字或模拟数据调制 用模拟信号承载数字或模拟数据 Encoder Decoder 数字或模拟数据 数字信号 x t g t 数字或模拟数据 编码与解码 数字信道 发送方 接收方 g t 编码 解码 调制与解调 3 3 3多路复用技术 频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术 对于光纤信道 还使用频分多路复用的一个变种称为波分多路复用WDM 频分复用FDM原理 整个传输频带被划分为若干个频率通道 每路信号占用一个频率通道进行传输 频率通道之间留有防护频带以防相互干扰 CH2 CH1 CH3 原带宽 CH1 CH2 CH3 移频后带宽 CH1 CH2 CH3 带宽复用信号 f 复用器 时分复用TDM原理 把时间分割成小的时间片 每个时间片分为若干个时隙 每路数据占用一个时隙进行传输 在通信网络中应用极为广泛 由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙 所以这种时分复用也称为同步时分复用 一个时间片内传输的多路数据称为帧 时分复用的典型例子 PCM信号的传输把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧 帧中还包括了帧同步信息和信令信息 每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路PCM信号 T1载波 Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分TDM技术 使24路采样声音信号复用一个通道 每一个帧包含193位 每一帧用125us时间传送 T1系统的数据传输速率为1 544Mbps E1 帧格式 T1 E1线路也可以用于计算机通信 波分复用 光的频分复用原理 整个波长频带被划分为若干个波长范围 每路信号占用一个波长范围来进行传输 3 3 4异步传输和同步传输 通信过程中收 发双方必须在时间上保持同步 一方面码元之间要保持同步 另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步 实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有异步传输和同步传输两种 1 异步传输异步传输方式中 一次只传输一个字符 由5 8位数据组成 每个字符用一位起始位引导 一位停止位结束 起始位为 O 占一位时间 停止位为 1 占1到2位的持续时间 2 同步传输同步传输时 为使接收方能判定数据块的开始和结束 还须在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾 加有帧头 帧尾的数据称为一帧 帧头和帧尾的特性取决于数据块是面向字符的还是面向位的 3 4数据编码 3 4 1数据编码技术1 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 所谓基带就是指表示二进位制比特序列的矩形脉冲信号所占的固有频带 称为基本频带 简称基带 a 单极性脉冲b 双极性脉冲 c 单极性归零脉冲d 双极性归零脉冲e 交替双极性归零脉冲 不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始 需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步 归零码的脉冲较窄 根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系 因而归零码在信道上占用的频带较宽 单极性码会积累直流分量 这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合 直流分量还会损坏连接点的表面电镀层 双极性码的直流分量大大减少 这对数据传输是很有利的 零码和不归零码 单极性码和双极性码的特点 在计算机通信与网络中 广泛采用的同步方法有位同步和群同步两种 实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种 1 位同步位同步又称同步传输 它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步 实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种 在外同步法中 接收端的同步信号事先由发送端送来 而不是自己产生也不是从信号中提取出来 即在发送数据之前 发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲 接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率 以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步 自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法 典型例子就是著名的曼彻斯特编码 常用于局域网传输 在曼彻斯特编码中 每一位的中间有一跳变 位中间的跳变既作时钟信号 又作数据信号 从高到低跳变表示 1 从低到高跳变表示 0 还有一种是差分曼彻斯特编码 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 有跳变为 0 无跳变为 1 2 群同步在数据通信中 群同步又称异步传输 是指传输的信息被分成若干 群 数据传输过程中 字符可顺序出现在比特流中 字符间的间隔时间是任意的 但字符内各个比特用固定的时钟频率传输 字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时 是群同步即异步传输的特征 2 模拟数据的数字信号编码 对模拟数据进行数字信号编码的最常用的方法是脉码调制PCM 它常用于对声音信号进行编码 脉码调制是以采样定理为基础的 信号数字化的转换过程可包括采样 量化和编码三个步骤 模拟数据的数字信号编码 采样定理 如果模拟信号的最高频率为F 若以 2F的采样频率对其采样 则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号 要转换的模拟数据主要是电话语音信号 模拟数据要在数字线路上传输 必须将其转换成数字信号 PCM编码 采样 按一定间隔对语音信号进行采样量化 把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码 对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号 PulseCodedModulation 脉码调制 语音信号的数字化语音带宽f2倍语音最大频率 样本量化级数 256级 8b 每样本 数据率 8000次 s 8b 64kb s每路PCM信号的速率 64kb s PCM编码过程举例 脉码调制PCM脉码调制是以采样定理为基础 对连续变化的模拟信号进行周期性采样 利用大于有效信号最高频率或其带宽 倍的采样频率 通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号 采样定理表达公式 Fs 1 Ts 2Fmax或Fs 2Bs式中Ts为采样周期Fs为采样频率Fmax为原始信号的最高频率Bs Fmax Fmin 为原始信号的带宽 2015 11 28 3 4 2调制解调器 1 模拟用户线路的调制解调器 模拟信号时间上连续 包含无穷多个信号值数字信号时间上离散 仅包含有限数目的信号值 最常见的是二值信号 t a 模拟信号 b 数字信号 数字数据的调制 三种常用的调制技术 幅移键控ASK AmplitudeShiftKeying 频移键控FSK FrequencyShiftKeying 相移键控PSK PhaseShiftKeying 原理 用数字信号对载波的不同参量进行调制 载波信号S t Acos t S t 的参量包括 幅度A 频率 初相位 调制就是要使A 或 随数字基带信号的变化而变化 ASK 用载波的两个不同振幅表示0和1FSK 用载波的两个不同频率表示0和1PSK 用载波的起始相位的变化表示0和1 带宽 波特率 码元 位传输率 一种介质的带宽是指在最小衰减的情况下能够通过这种介质的频率范围 波特率是指每秒钟的采样次数 每个采样发送一份信息 这份信息称为码元 因此 波特率和码元率是相同的 调制技术 比如QPSK 决定了每个采样的位数 位传输率是指一条信道上发送的信息的数量 它等于每秒采样数乘以每个采样的位数 正交振幅调制QAM QAM是一种采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法 是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式 这两个载波通常是相位差为90度 2 的正弦波 因此被称作正交载波 这种调制方式因此而得名 星座图中的16个点的坐标 r 都不相同 其中r代表振幅 代表相位 这16个点可表示0000到1111共16种不同组合的数据 即 当传送数据为0000时 Modem输出信号的振幅和相位为 r0 0 当传送数据为0001时 Modem输出信号的振幅和相位为 r1 1 当传送数据为1111时 Modem输出信号的振幅和相位为 r15 15 正交振幅调制QAM r r 可供选择的相位有12种 而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择 由于4bit编码共有16种不同的组合 因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码 若每一个码元可表示的比特数越多 则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难 举例 2 数字用户线路 DSL就是数字用户线 DigitalSubscriberLines 的缩写 而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案 xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造 使它能够承载宽带业务 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300 3400Hz的范围内 但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz xDSL技术就把0 4kHz低端频谱留给传统电话使用 而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 xDSL的几种类型 ADSL AsymmetricDigitalSubscriberLine 非对称数字用户线HDSL HighspeedDSL 高速数字用户线SDSL Single lineDSL 1对线的数字用户线VDSL VeryhighspeedDSL 甚高速数字用户线DSL ISDN用户线 RADSL Rate AdaptiveDSL 速率自适应DSL 是ADSL的一个子集 可自动调节线路速率 ADSL的极限传输距离 ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系 用户线越细 信号传输时的衰减就越大 而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关 例如 0 5毫米线径的用户线 传输速率为1 5 2 0Mb s时可传送5 5公里 但当传输速率提高到6 1Mb s时 传输距离就缩短为3 7公里 如果把用户线的线径减小到0 4毫米 那么在6 1Mb s的传输速率下就只能传送2 7公里 ADSL的特点 上行和下行带宽做成不对称的 上行指从用户到ISP 而下行指从ISP到用户 ADSL在用户线 铜线 的两端各安装一个ADSL调制解调器 我国目前采用的方案是离散多音调DMT DiscreteMulti Tone 调制技术 这里的 多音调 就是 多载波 或 多子信道 的意思 DMT技术 DMT调制技术采用频分复用的方法 把40kHz以上一直到1 1MHz的高端频谱划分为许多的子信道 其中25个子信道用于上行信道 而249个子信道用于下行信道 每个子信道占据4kHz带宽 严格讲是4 3125kHz 并使用不同的载波 即不同的音调 进行数字调制 这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据 DMT技术的频谱分布 频谱 频率 上行信道 传统电话 0 4 下行信道 kHz 40 138 1100 ADSL的数据率 由于用户线的具体条件往往相差很大 距离 线径 受到相邻用户线的干扰程度等都不同 因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率 当ADSL启动时 用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率 各子信道受到的干扰情况 以及在每一个频率上测试信号的传输质量 ADSL不能保证固定的数据率 对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL 通常下行数据率在32kb s到6 4Mb s之间 而上行数据率在32kb s到640kb s之间 ADSL的组成 ATU C ATU C ATU R ATU C 用户线 电话分离器 区域宽带网 至ISP 居民家庭 基于ADSL的接入网 端局或远端站 DSLAM 至本地电话局 PS PS 数字用户线接入复用器DSLAM DSLAccessMultiplexer 接入端接单元ATU AccessTerminationUnit ATU C C代表端局CentralOffice ATU R R代表远端Remote 电话分离器PS POTSSplitter 3 5数据交换技术 数据经编码后在通信线路上进行传输 按数据传送技术划分 交换网络又可分为电路交换网 报文交换网和分组交换网 交换网络的拓扑结构 3 5 1电路交换 CircuitSwitching 电话交换网是使用电路交换技术的典型例子 用电路交换技术完成数据传输要经历以下电路建立 数据传输 电路拆除三个过程 电路交换方式的优点是数据传输可靠 迅速 数据不会丢失且保持原来的序列 缺点是在某些情况下 电路空闲时的信道容量被浪费 当数据传输阶段的持续时间不长时 电路建立和拆除所用的时间就得不偿失 因此 它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况 电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程 可以是真正的物理线路 也可以是一个复用信道 特点 数据传输前需要建立一条端到端的通路 称为 面向连接的 典型例子 电话 过程 建立连接 通信 释放连接优缺点 建立连接的时间长 一旦建立连接就独占线路 线路利用率低 无纠错机制 建立连接后 传输延迟小 不适用于计算机通信 因为计算机数据具有突发性的特点 真正传输数据的时间不到10 电话网络中的电路交换 3 5 2报文交换 MessageSwitching 报文交换方式的数据传输单位是报文 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之间建立专用通路 传送方式采用 存储一转发 方式 端与端之间无须先通过呼叫建立连接 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且不定 因此 这种方式不能用于语音连接 也不适合于交互式终端到计算机的连接 报文交换以报文为单位进行 存储 转发 交换的技术 在交换过程中 交换设备将接收到的报文先存储下来 待信道空闲时再转发出去 一级一级中转 直到目的地 这种数据传输技术称为存储 转发 传输之前不需要建立端到端的连接 仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接 称为 无连接的 典型例子 电报 整个报文 Message 作为一个整体一起发送 优缺点 没有建立和拆除连接所需的等待时间 线路利用率高 传输可靠性较高 报文大小不一 造成存储管理复杂 大报文造成存储转发的延时过长 且对存储容量要求较高 出错后整个报文全部重发 3 5 3分组交换 PacketSwitching 将一个报文分成若干个分组 每个分组的长度有一个上限 典型的最大长度是数千位 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两种 报文 分组交换的主要特点 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 数据 数据 数据 添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换的传输单元 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 用这样的存储转发方式 最后分组就能到达最终目的地 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 数据 数据 数据 最后还原成原来的报文 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 1 虚电路方式 在虚电路分组交换中 为了进行数据传输 网络的源节点和目的节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节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 虚电路分组交换的主要特点是 在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路 但并不像电路交换那样有一条专用通路 分组在每个节点上仍然需要缓冲 并在线路上进行排队等待输出 虚电路方式 VirtualCircuit 通信前预先建立一条逻辑连接 虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的逻辑连接也需要三个过程 建立 数据传输 拆除建立虚电路时 交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定 传输数据时则不再需要数据传输时只需指定虚电路号 分组即可按虚电路的路由穿越网络 数字管道 提供的是 面向连接 的服务但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道 只是断续地依次占用传输链路段可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达永久虚电路PVC和交换虚电路SVC 分组通过预先建立好的虚电路穿越网络 2 数据报方式 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 一个节点收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一节点 由于各数据报所走的路径不一定相同 因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地 有的数据报甚至会中途丢失 整个过程中 没有虚电路建立 但要为每个数据报做路由选择 H1 H5 H2 H4 H3 H6 发送的分组 路由器 A E D B C 网络核心部分 主机 数据报分组交换网的示意图 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 路由器 主机 注意分组的存储转发过程 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 路由器 主机 在路由器E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 在路由器C暂存查找转发表找到转发的端口 在路由器A暂存查找转发表找到转发的端口 3 5 4高速交换 目前光交换技术发展主要有以下几种 1 微电子机械系统 MEMS 的光交换机2 无交换式光路由器3 阵列波导光栅路由器 3 5 5交换技术的比较 1 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用 对于猝发式的通信 电路交换效率不高 2 报文交换 报文从源点传送到目的地采用 存储一转发 的方式 在传送报文时 一个时刻仅占用一段通道 在交换节点中需要缓冲存储 报文需要排队 故报文交换不能满足实时通信的要求 3 分组交换 交换方式和报文交换方式类似 但报文被分成分组传送 并规定了最大的分组长度 在数据报分组交换中