第3章物理层3.ppt

1 上节问题 问题1 模拟数据编码方式分哪几种 问题2 数字数据编码方式分哪几种 问题3 PCM技术分哪几步 每步应遵从什么样的规则 问题4 什么是调制解调 为什么要对数字数据进行调制解调 问题5 数字信道的信道容量与信道带宽是什么关系 问题6 模拟信道的信道容量与信道带宽是什么关系 2 3 两种选择 信号与模拟数据占据相同的频谱 模拟数据被编码到不同的频谱 用modem对数字数据编码 产生模拟信号 MODEM P84 86 用codec对模拟数据编码 产生一数字位流 PCM技术 P76 78 两种选择 P74 76 两个电压级代表两个二进制 编码产生具有特定性质的信号 模拟信号数字信号 模拟数据数字数据 4 信道速率的极限值 奈奎斯特准则 在有限带宽 无噪声的信道上 Nyquist 二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B B f 单位Hz 的关系为Rmax 2 f b s P81离散无噪声的数字信道信道容量 2Blog2M香农定理 在有随机热噪声的信道上传输数据信号时 Shannon 数据传输速率Rmax与信道带宽B 信噪比S N的关系为Rmax B log2 1 S N S N为信噪比 P81 db实际带噪声的模拟信道容量 Blog2 1 S N S Ndb 10log10S N 5 信号之间的差别 频率上的不同 信号出现时间上的不同或信号码型结构上的不同 实现多路复用的关键 把多路信号汇合到一条信道上之后 在接收端必须能正确地分割出各种信号 分割信号的依据 多路复用技术分类 频分多路复用 FDM 以信道频带分割波分多路复用 WDM 以信道频带分割 光波 时分多路复用 同步TDM 以信道传输时间分割同步时分多路复用 SynchronousTDM STDM 统计时分多路复用TDM asynchronousTDM 异步TDM或智能TDM 6 交换 exchanging Switching 端局长途局交换局长途局端局 广域网的数据交换 线路交换 circuitswitching 存储转发交换 storeandforwardswitching 报文交换 messageswitching 分组交换 packetswitching or包交换 PDN数据报方式 datagram DG 虚电路方式 virtualcircuit VC 3 7广域网中的数据交换技术 7 3 7 1线路交换方式 线路交换是面向连接的服务发送方和接收方设备之间将建立一条专用的物理线路 并在通话期间保持不变通信传输过程要经过建立连接 数据传输与释放连接的三个阶段 实时性好 适用于交互式会话类通信 稳定的数据传输速率 不存在信道访问延迟 无存储 差错能力 不能平滑交通量 不能充分发挥传输媒体的潜力 传输媒体的价格昂贵 长距离连接的建立过程长 优点 缺点 8 线路交换过程示意图 请演示动画 9 3 7 2存储转发交换方式存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别 发送的数据与目的地址 源地址 控制信息按照一定格式组成一个数据单元 报文或报文分组 进入通信子网 通信子网中的结点是通信控制处理机 它负责完成数据单元的接收 差错校验 存储 路选和转发功能 典型实例 电子邮件 存储转发延迟 中间节点存储并转发报文或分组而产生的延迟 存储 转发延迟 排队延迟 缓冲区 队列 TransmissionlinkofRbps 10 存储转发方式的优点 由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组 多个分组可以共享通信信道 线路利用率高 通信子网中通信控制处理机具有路选功能 可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径 可以平滑通信量 提高系统效率 分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时 均要进行差错检查与纠错处理 因此可以减少传输错误 提高系统可靠性 通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换 也可以对不同的数据代码格式进行变换 11 报文与报文分组 存储转发交换方式又分 报文 message 交换报文分组 packet 交换报文 发送数据 始发地和目的地的地址 控制信息报文分组传输 限制一次传输数据的最大长度 将一个长报文分成多个报文分组发送 报文和报文分组 12 M M M P1 P1 P1 P2 P3 P4 P2 P3 P4 P2 P3 P4 传播延迟 排队延迟 线路交换 报文交换 分组交换 13 分组交换的优点 分组长度较短 在传输出错时 检错容易并且重发花费的时间较少 限定分组最大数据长度 有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率 公用数据网 PDN 采用的是分组交换技术 线路交换预先静态地保留所要带宽 而分组交换却是根据需要 动态地获得和释放带宽 线路交换是完全透明的 收费方法不同 与线路交换的区别 主要在于包交换技术限制了数据包最大尺寸 与报文交换的区别 传输延迟短 出现传输错误时的处理不同 请演示动画 14 3 7 3数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式 在数据报方式中 分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立 线路连接 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机 15 数据报方式的工作原理示意图 请演示动画 16 数据报工作方式的特点 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网 同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序 重复与丢失现象 每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址 数据报方式报文传输延迟较大 适用于突发性通信 不适用于长报文 会话式通信 17 3 7 4虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来 处分发挥两种方法的优点 以达到最佳的数据交换效果 数据报方式在分组发送之前 发送方与接收方之间不需要预先建立连接 虚电路方式在分组发送之前 需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路 虚电路方式与线路交换方式相同 整个通信过程分为以下三个阶段 虚电路建立 数据传输与虚电路释放阶段 18 虚电路方式原理示意图 请演示动画 19 虚电路的特点 在每次分组发送之前 必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接 这是因为不需要真正去建立一条物理链路 连接发送方与接收方的物理链路已经存在 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送 因此报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 分组到达目的结点时不会出现丢失 重复与乱序的现象 分组通过虚电路上的每个结点时 结点只需要做差错检测 而不需要做路径选择 通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接 20 虚电路方式与线路交换方式的不同之处 虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接 称为 虚电路 是因为这种电路不是专用的 每个结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在 一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路 每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输 由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点 因此在计算机网络中得到了广泛的应用 21 数据报 datagram 与报文交换类似按主机目的地址路由包如Internet 虚电路方式与数据报方式的区别 两者的区别 交换机是按照主机目的地址还是按照虚电路号来路由包 虚电路 virtualcircuit 与线路交换类似按虚电路号路由包如X 25 帧中继 ATM 22 数据报交换方式 1 2 3 4 5 6 7 B A D E F C P1 P2 P3 P1 P2 P3 23 虚电路交换方式 虚拟 两个设备之间实际并不存在一条专用的物理电路 1 2 3 4 5 6 7 B A D E F C P1 P2 P3 P1 P2 P3 24 虚拟电路所有数据包都沿着发送设备与接收设备之间建立的逻辑链路传送 两种分组交换方式的比较 数据报数据包沿着不同的路由发送 虚拟电路网络可提供顺序性和差错控制 包的传送更快 数据报避免了呼叫建立阶段 更灵活 本质上更可靠 25 3 7 5ATM交换方式 ATM是一种面向连接的技术 采用小的 固定长度53字节的信元作为数据传输单元 能够支持数字 语音 图像 视频等多媒体通信 ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽 网络传输延时小 适应实时通信的要求 ATM没有链路级纠错与流量控制 协议简单 数据交换效率高 ATM采用两级虚电路机制 增加了虚电路分配的灵活性 ATM的数据传输速率可以在155Mb s 2 4Gb s 26 ATM信元结构 ATM是一种高速分组交换技术 交换的基本数据传输单元是信元 在ATM交换方式中 文本 语音 视频等所数据将被分解为长度固定的信元 Cell 信元有一个5字节的信元头 header 与一个48字节的用户数据 userdata 信元长度为53字节 27 物理链路 PhysicalLink 虚通路 VP VirtualPath 虚通道 VC VirtualChannel 28 虚通路连接与虚通道连接 29 支持远程教学的ATM网 30 用于多媒体传输的虚通道 31 ATM体系结构 Higherlayer ATMadaptationlayer AAL ATMlayer Physicallayer Userplane Controlplane Managementplane Planemanagement Layermanagement 32 ATM的物理层 包括对传输媒体和信号编码方案的规范 155 52Mbps622 08Mbps 物理媒体相关 PMD 子层 传输汇集 TC 子层 成帧的工作在OSI模型及其他网络中处于第二层 而在ATM模型中处于第一层 AL PL SL TL NL DL Phy FDDI SONET SDH ATM 33 ATM层 处理信元和信元传输 处理虚电路建立和释放 进行拥塞控制 ATM适配层 AAL ATMAdaptationlayer OSI DL NL AAL允许用户发送比信元大的包 packet AAL分解包并按单独的信元传输 在另一端将信元重组成包 分段 重组子层 汇集子层 ATM的第2 3层 34 参考模型的三个平面 plane 用户plane 包括plane管理和层次管理 提供用户信息传递以及相关控制 控制plane 提供呼叫控制和连接控制功能 管理plane 流量控制差错控制 ATM参考模型的三个平面 plane 35 ATM网络中的传输 虚电路与电路交换 永久虚电路 PVC 电路交换网络 交换虚电路 SVC 由用户申请 永久保留的一条电路 在需要时建立 用毕释放的电路 虚电路网络 从源端到目标端真正建立了一条物理路径 建立电路时只是选择了一条从源端到目标端的路径 36 同步传输模式 如T1线路 每125us生成一个T1帧 速率由主时钟控制 每帧的第k时隙来自同一源 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 20 21 22 23 24 1 1T1frame 125us 2 1 1 3 7 14 5 8 信元无次序 53字节 异步传输模式 不严格要求信元交替地来自不同源 光纤 可达数千米 同轴电缆或5类双绞线只能100米 传输媒体 ATM的传输 37 ATM交换机 Switchingfabric 1 信元入境 信元被交换 以尽可能低的丢失率交换所有信元 信元到达和离开虚电路的次序应完全一致 2 n 2 n 1 来自两条以上输入线路的信元在同一周期到达相同的输出线路 信元出境 输出一个信元而丢弃剩余的 为每条输入线路提供一个队列 为每条输出线路提供一个队列 38 ATM的信元与传输 ATM信元格式 GFC PT Informationfield 48octets VPI VCI CLP 04132831 HEC a User networkinterface PT Informationfield 48octets VPI VCI CLP HEC b Network networkinterface 39 3 8同步数字体系SDH3 8 1SDH发展的背景 早期的数字传输系统与设备在运行过程中暴露出固有的弱点 数据传输速率不标准 存在着T1与E1两个互不兼容的标准 在高次群的速率方面 日本又使用了第三种不兼容的标准 光设备接口标准不规范 没有国际的标准规范 各个厂家使用自己标准 数据传输速率不断提高 解决复用系统中的同步问题困难较大 40 同步光纤网SONET 同步光纤网的概念是由美国贝尔通信研究所首先提出来的 设计同步光纤网的目的是解决光接口标准规范问题 定义同步传输的线路速率的等级体系 以使不同的厂家的产品可以互连 从而能够建立大型的光纤网络 1988年ITU T接受了SONET的概念 并重新命名为同步数字体系SDH 使之不仅仅适用于光纤 也适用于微波和卫星传输 成为通用性技术体制 ITU T对SDH的速率 复用帧结构 复用设备 线路系统 光接口 网络管理和信息模型等进行了定义 确立了作为国际标准的同步数字体系SDH 目前各个发达国家都把SDH作为新一代的传输体系 加紧对SDH的研究 开发与应用工作 41 3 8 2SDH速率体系 SONET的STS OC级与SDH的STM级的速率对应关系 STS SynchronousTransportSignal同步传输信号OC OpticalCarrier光载波STM SynchronousTransportModule同步传输模块 42 SONET SDH 信号等级 3 8 2SDH速率体系 SDH的标准信号块为N级同步传输模块STM N SynchronousTransferModule levelN 速率是155 52Mbps的N倍 N最常用的值是1 4 16等 43 3 8 3SDH的复用结构 44 3 8 4SDH的主要技术特点 STM 1统一了T1载波与E1载波的两大不同的数字速率体系 实现了数字传输体制上的国际性标准 SDH网还有兼容光纤分布式数据接口FDDI 分布队列双总线DQDB 以及ATM信元 采用同步复用方式 各种不同等级的码流在帧结构负荷内的排列是有规律的 降低了复用设备的复杂性 SDH帧结构增加的网络管理字节 增强了网络管理能力 标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现不同公司光接口设备的互连 降低了组网成本 45 技术要点由标准的网络单元组成统一的NNI 简化了信号的互通 传输 复用 交叉连接和交换标准的信息速率等级标准的光接口特殊的复用结构 PDH B ISDN信号都可以进入环形网络结构 可靠 路由灵活帧中有大量开销位 软件进行网络配置和控制使用单个主时钟来同步核心特点同步复用标准光接口强大的网络管理能力 3 8 2SDH的主要技术特点 46 ATM的传输媒体 SDH SONET 速率Mbps STM 1 STM 4 STM 8 STM 16 STS 1 OC 1 STS 3 OC 3 STS 12 OC 12 STS 24 OC 24 STS 48 OC 48 51 84 155 52 622 08 1 244 16 2 488 32 ATMSDH SONET速率表 47 ATM物理层接口速率 数据率 Mbps DS1E1J2DS3E3E4 1 5442 0486 234534139 成帧 媒体 多模光纤 单模光纤 同轴电缆 UTP3 UTP5 STP X TP TP ATM25STS1STS3c STM1 25 651 8155 X STS12c STM44B 5B TAXI 8B 10B Fiberchannel 622100155 标准 建议 正在进行中 X SDH接口 传输媒体主要为光