《公共交换电话网》PPT课件

广域网技术,专业：网络或通信,任课教师：程细柱,第二章公共交换电话网PSTN,2.1公共交换电话网（PSTN）介绍2.2调制/解调原理2.3V.90和56kbit/sModem2.4PC机和Modem接口EIA-232-E2.53Com利用PSTN的WAN访问方案,2.1公共交换电话网（PSTN）介绍,PSTN结构：由本地局、长话局（中继局）、多级中心交换局构成。如下图：传输媒体：用户线一般用普通电话线，局间主干往往采用同轴电缆、微波，目前较流行的是光纤。,1.数字通信的优势,和模拟信号相比，数字通信有如下的优势：数字信号容易再生：数字信号只用两种电平，通过在线路中间插入再生电路，就能把信号完全恢复到原来的状态，模拟信号经过多级放大后，会增加噪声，降低信号质量。PSTN能够提供多种服务：能提供数字、语音、图象等，使设备利用率增大。数字传送的成本低于模拟成本：模拟信号经过多级整形、放大，再经过精确恢复，成本高；而数字信号只用两种电平，信号再生容易。维护方便：维护、诊断一个数字系统比模拟系统容易得多。,例1：两台计算机通过PSTN数字传输,一台计算机要经过D/A转换(Modem)-A/D转换(本地局)-D/A转换(本地局)-A/D转换(Modem)，才到达另一台计算机，见下图：,脉冲编码调制（PCM）将模拟信号转换成数字信号经过以下过程:采样:就是每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。采样定理：如果模拟信号的频率范围在0-fm之间，采样频率fT必须大于或等于2fm。如：音频在30-3400Hz,采样频率为8000Hz量化:用不连续变化的有限个值来代替连续变化的无限个值的过程.编码:对量化后的离散值,用有限位二进制数字进行表示.,2.脉冲编码调制,复用原因：在PSTN中，语音信号的采样频率为8000HZ(每125us采样一次)，每个采样值用8位二进制位表示，因此一个语音通道所需要的带宽为64kbit/s，但局间主干通路一般采用光缆通信，通信带宽很高。复用方法：在光缆中一般采用时分多路复用（TDM）技术复合数字信号。目前国际上有二类数字速率系列：T1系列，多用于北美和日本，24路数字语音信号复合成一帧，帧头增加一位为帧开始标志，一帧总长为248+1=193位，传输速率为193位/125us=1.544Mbit/sE1系列，多用于中国和欧洲，32路(30路传输数字,2路用于帧同步)数字语音信号复合成一帧，一帧总长为328=256位，传输速率为256位/125us=2.048Mbit/s,3.时分多路复用,2.2调制/解调原理,调制/解调的含义调制：将数字信号转换为模拟信号。解调：将模拟信号转换为数字信号。模拟信号有三个基本特征：幅度、频率、相位。因此存在三种基本调制技术：ASK(幅度键控调制技术)FSK(频率键控调制技术)PSK(相位键控调制技术),两个不同的二进制值用两种不同幅度的载波信号来表示。特点：传输速率只能达到1.2kbit/s,1.ASK(幅度键控调制技术),2.FSK(频率键控调制技术),两个不同的二进制值用两种不同频率的载波信号来表示。特点：传输速率只能达到1.2kbit/s,两个不同的二进制值用两种不同相位的载波信号来表示。注：这种调制技术称为差分PSK。,3.PSK(相位键控调制技术),特点：用相差一个或多个90来表示二位不同的二进制值，如下：,4.正交相位调制(QPSK)技术,注：这种方法可以进一步延伸，用8个不同折相位来表示三位二进制位，同时，每一种不同相位的载波还可以具有多个不同的幅度。,用12种不同的相位，而且其中四种不同相位的载波又有两级不同的幅度，如右图所示：这样，16种不同相位和幅值的载波刚好能够用来表示4位二进制值。,5.一个标准的9.6kbit/sModem例子,6.信号调制速率和数据传输速率的关系,用等式表示：D=R/B=R/Log2L这里：D=调制速率，也就是波特率；R=数据速率，bit/s;B=每一个信号元素能够表示的二进制位数；L=信号元素不同的状态数。例如：当用户线路的波特率D为2400波特/秒，通过幅度和相位调制后的信号有16种不同的状态；则，每一个信号元素可以代表4位二进位，数据速率R为9600bit/s。,正交幅度调制（QAM）已经在V.32和V.34标准的调制解调器中得到应用，它主要的技术特征是多级调制。特点：采用的幅度级数越多，每一级幅度表示的二进制位数就越多，在同样的波特率下，得到的数据传输速率就越高，但相邻幅度级之间的电压就越小，抗干扰能力就越低；如下图：,7.多级调制技术,为进一步提高用户线路上的数据传输速率，把幅度多级调制技术和相位多级调制技术结合在一起。如右图，每一种状态可以代表6位二进位数据。这种通过把幅度多级调制技术和相位多级调制技术结合起来，使信号状态数成乘方增加，从而使数据传输速率成倍增加的技术，称为正交幅度调制。,8.正交幅度调制（QAM）,9.I载波和Q载波,目前使用的正交幅度调制技术采用两种具有相同频率、8级幅度的同相载波和相位正交载波对数据进行调制，分别称为I载波和Q载波，如右下图所示：,10.调制过程,用户设备送来的数据位流，被放入“位一符号一”的编码器，“位一符号”编码器将用户设备送来的数据位流一分为二，分别送给两种相互正交的载波进行调制，这两种载波由同一频率源产生。调制后的I和Q信号都分别具有8种不同的信号状态，混合后的信号具有64种不同的信号状态，用来表示6位二进制位。,11.Trellis编码,通过正交幅度调制(QAM)后的模拟信号，相邻状态信号之间的幅度或相位差别都不太大，在受到噪声干扰的情况，极易出错，而且一错就是多位。为了保证在接收端能够检测出类似的错误，在一次传输6位进制位的QAM调制解调器中，产生128种不同的状态点，从中仔细地选出64种状态点对6位二进制数据进行编码，在受到噪声干扰的情况下，使得有效编码变成无效编码，以此检测发生的错误；这种编码技术叫做Trellis编码。,12.信道容量分析,信道容量主要取决于下述因素：带宽、噪声大小、调制技术、编码技术。这里我们主要讨论带宽与数据速率的关系：信道的带宽越宽，数据传输速率就越高。由于信道的每一个信号周期支持二个电压变化，所以当信道带宽为f，则数据速率为2f；如:当带宽为1000HZ时，则数据速率为2000bit/s。,奈奎斯特定理,理想信道的奈奎斯特定理：没有噪声的理想信道容量C=2WLog2L（其中：W为信道带宽，L为信号的级数)可见信道带宽和信号的级数越大，信道容量也越大，但信号的级数不能无限增加，主要基于下述原因：1、线路的电子特性(电阻、电容、衰减等)限制了信号级数L不可能很大。2、信号级数越多，相邻级信号之间的差别就越小。3、虽然信道本身没有噪声，但信号本身会出现噪声。,香农定理,没有噪声的理想信道实际上是不存在的，信道中至少存在一种噪声-热噪声(也叫高斯噪声、白噪声)。在导体中，由于电孑随机移动导致的振荡，这些振荡发射出各种频率的电磁波并产生热噪声。香农定理的基本思想：信道的容量由信道的带宽和信号与噪声的能量比所决定。用公式表示为：C=WLog2(1+S/N)注：这里C是信道容量，W是信道的带宽，S为信号的能量，N为热噪声的能量,S/N为信噪比。如：C=4000Log2(1+1000/1)=39.87kbit/s,2.3V.90和56kbit/sModem,V.90技术允许Modem在标准的公共交换电话网(PSTN)上以56kbit/s的速率接收数据，本节要学的内容有：V.34-模拟Modem标准V.90-56kbit/sModem标准V.90标准要求3ComX2技术和V.90标准的关系,V.34-模拟Modem标准,PSTN是为语音通信而设计的，它人为地把用户线路的通信带宽限制在语音频带内(304000HZ)，这虽然增加了信道的利用率和同时通信的用户数，但对数字通信增加了许多限制。V.34标准Modem是基于两个端点都是通过模拟线路连到PSTN上这一情况设计的；如下图，用户线路上的模拟信号在本地局必须进行A/D转换，变成8位PCM编码后，再在数字线路上进行传送，采样频率为8000HZ。但A/D转换必然引入了量化误差，导致在另一端重新恢复模拟信号时，无法精确恢复原始模拟信号，我们把这一现象称为量化噪声损害。由于量化噪声的存在，Modem被限制在39.87kbit/s以内。,V.90-56kbit/sModem标准,量化噪声把V.34标准Modem限制在33.6kbit/s以内。但量化噪声完全是由于A/D转换引入的，D/A转换不会引入量化噪声。如果V.90标准Modem和PSTN直接以数字信号进行通信，中间不引入A/D转换，那么通过V.90标准Modem的数据信息可以以PCM编码的形式、以64kbit/s传输速率直接在PSTN数字线路上传输，经过D/A转换后到达模拟Modem。,V.90-56kbit/sModem标准,传输过程：ISP的远程访问服务器直接以数字信号传输方式连到PSTN数字网络上；从Internet上下载的数据以8位PCM编码方式直接在PSTN数字信道上传输，不会由于AD转换而引起量化噪声；这些PCM编码经过D/A转换，变换成相应离散幅度值的模拟信号，经过用户线路到达用户的模拟Modem，中间没有任何信息损失；用户Modem从收到的模拟信号中恢复出PCM编码，解码后，把数据送给用户终端。,V.90标准要求,V.90模拟Modem的能恢复8000个/秒的8位PCM编码，下载速度上限是64kbit/s（80008bit/s），但由于下述问题，实际比64kbit/s低一些：虽然由于A/D转换引进的量化噪声在下载通路上没有但在D/A转换电路和用线路上的固有噪声依然存在这些噪声依然限制着数据传输速率的提高；PSTN中的D/A转换并不是线性转换，必须用一个变换规则(A律或律)进行变换，但这可能导致相邻编码经D/A转换后产生的电压差很小。V.90编码器采用256个PCM编码中的128个编码来达到56kbit/s数据传输速率。,V.90标准要求,达到56kbit/s数据传输速率，V.90要求满足下述三个条件：一端是数字连接：一端必须采用类似ISDN、T1、E1等数字通信线路和PSTN数字网络相连。两端必须支持V.90标准。只允许一次A/D转换。,3ComX2技术和V.90标准的关系,网推出56kbit/s传输技术时，有两种标准：3ComX2和Lucent等其他公司推出的K56flex，这两种标准是互不兼容的。1998年2月，ITU公司公布了56kbit/sModem-V.90标准。3Com公司和其他公司相继推出了符合V.90标准的56kbit/sModem产品。如：3Com产品不仅兼容V.90，同时兼容X2标准，而Lucent等公司也兼容V.90和K56flex。见：P362.1:,2.4PC机和Modem接口EIA-232-E,数据处理设备很少能直接连到通信网络上，更多的情况是采用下图方式：,终端和计算机等数据处理设备在图中统称为DTE(数据终端设备)，而DTE必须通过DCE(数据电路端设备，如：Modem)才能利用传输系统进行通信。,2.4PC机和Modem接口EIA-232-E,DTE和DCE之间有如下接口特性：机械特性：精确描绘了接口的机械尺寸、插座、电缆、和插头的物理特性。电气特性：规定了表示不同数据的电压幅值和每一位数据的时间宽度。功能特性：规定了接口中每一根交换线路的功能，大体上可分为数据、控制、时序和地等功能。过程特性：规定了为完成数据传输而发生的事件的顺序，过程特性是在功能特性基础上定义的。目前最常见的接口标准是由ITU-T指定的V.24标准,机械说明,EIA-232-E的机械说明如图2.16所示，称作25针连接器，由ISO2110定义，引脚分布如图2.16所示排列，从理论上讲，25根交换线路可用于DTE和DCE之间的连接，但事实上，绝大多数应用都只用到25根交换线路中的很少一部分。因此，目前也为EIA-232-E定义9针的连接器，两者之间的相互对应关系如表2.2所示。,电气说明,电气说明定义了DTE和DCE之间的信号幅值。所有交换线路中都采用数字信号，幅值约定如下：基于公共信号地，如果电压幅值小于3V，则被作为二进制1，如果电压幅值大于3V，则被作为二进制0，接口的信号速率被限定在20kbit/s以下，最大传输距离小于15m。通过精心设计可以使信号速率更高，传输距离更远。对于控制信号，一般情况下，若电压幅值小于3V，则控制信号解释为OFF状态，若电压幅值大于3V，则控制信号解释为为ON状态。,功能说明,见P39表2.3，这些线路可以分成：数据信号：每一方都有数据线路，因此DTE和DCE之间允许全双工通信，另外还有两条辅助数据线路用于单双工操作方式的情况。控制信号：交换线路中有15根控制线路，表2.3的前10根用于控制数据经过基本信道进行传输，在异步传输中用到6根，它们分别是：请求传送（RTS），清除发送（CTS）、DCE就绪（DSR），DTE就绪（DTR），振铃指示（RI），接收线信号检测（RLSD）；另外“信号质量检测”和两根“数据信号速率选择”线用于同步传输方式；还有三条用于控制辅助数据通道的数据传输。,还有三条用于两种回路测试，此时“测试模式信号线”置ON状态，分为：）本地回路测试：Modem发送器的输出连到Modem接收器的输入，Modem和传输线路断开，用户设备产生的数据位流送到Modem，经过Modem回路又返回到用户设备。,）远程回路测试：本地Modem以正常方式连到传输线路上，远地Modem接收器的输出连到发送器的输入上，用户设备产生的数据位流经本地Modem送到传输线路上，经过远地Modem又送回到传输线路上，再经本地Modem返回给用户设备。,时序信号：为同步信号提供时钟脉冲，当DCE通过接收数据线向DTE发送数据时，同时在接收定时线路上发送时钟脉冲，时钟脉冲在接收线上每一位数据的中间发生跳变，当DTE发送同步数据时，DTE和DCE均提供同步时钟，同步时钟也在一位数据的中间发生跳变。信号地：作为所有交换线路的零电平参考点和信号返回线。,过程说明,过程说明,当两个DTE相隔距离很近时（15m左右），不用通过电话线路可以直接连接，当然也不需要Modem。,最简单的是只需三根线，不用硬件进行流控制。,2.53Com利用PSTN的WAN访问方案,3Com推出了一系列适用不同应用环境的PSTN连接设备，比较典型的有：Modem；“对猫”路由器；远程访问服务器SuperStackRAS1500和NETServer/16；适合作为ISP接入设备的TotalControl多服务访问平台。,1、Modem,3ComModem产品同时支持X2和V.90标准。配置：只要有一条电话线、购买一个Modem、向当地电话局申请一个Internet帐号，见下图：注：一个支持V.90标准的Modem不一定能达到56kbit/s下载速率和33.6kbit/s上行速率。,专用探测（ELP）技术,2、“对猫”路由器,“对猫”路由器的特点：“对猫”路由器有两个内置的56kbit/sModem，当两个56kbit/sModem同时连接时，可为用户提供112kbit/s数据传输速率。,应用1：实现LAN和WAN之间的连接(上),功能：LAN内的所有用户可同时通过“对猫”路由器访问Internet网。,应用1：实现LAN和WAN之间的连接(下),两种情况：如果LAN只申请一个全局IP地址，“对猫”路由器可用端口地址变换(PAT)技术实现LAN内用户的局部IP地址和单个Internet全局IP地址之间的转换。如果LAN只申请一组全局IP地址，“对猫”路由器可用网络地址变换(NAT)技术实现LAN内用户的局部IP地址和一组Internet全局IP地址之间的转换；这种转换是把分配到的一组全局IP地址作为地址池，每个需访问Internet的LAN用户，可从地址池中分配一个全局IP地址。,应用2：实现通过PSTN实现两个LAN之间互连(上),“对猫”路由器,“对猫”路由器的配置,定义的远程用户用户名和口令：如果使用口令认证协议（PAP）或挑握手协议（CHAP），则必须给远程用户分配口令。电话号码：首先为远程用户分配两个电话号码。IP地址：为远程用户定义IP地址。,表2.5在RouterA中定义的远程用户RouterB,表2.6在RouterB中定义的远程用户RouterA,上限通信率和下限通信率：如果使用多链路点对点协议(MPPP)，则必须同时设置上限和下限通信流量；当实际通信流量达到或超过上限通信流量指定的值，并持续了规定的时间，就启用第二条物理链路来成倍增加通信流量；当实际通信流量低于下限通信流量指定的值，并持续了规定的时间，就断开第二条物理链路，减少通信费用。连接方式：按需连接是指R或R有信息流送往对方时，才和对方建立拨号连接。,定义路由表：定义完远程用户后，必须分别为RouterA和RouterB定义路由表。,表2.8在RouterB中路由表,表2.7在RouterA中路由表,协议转换和报文操作过程,例：LAN1中IP地址为192.1.1.5的终端向LAN2中IP地址为192.1.2.10的服务器发送IP报文。,特点：终端和服务器不在同一个IP子网内。,由于终端和缺省路由器之间的连接是以太网，故须知道缺省路由器的MAC地址，然后将报文封装成MAC帧后发送给缺省路由器。缺省路由器收到MAC帧后，剥离掉MAC帧首部和尾部，LLC帧首部，从中分离出IP报文；并根据目的IP地址查路由器表。,当在路由器表中查到RouterB后得知其电话号码为Btele1和Btele2，并用Btele1拨通远程用户RouterB，建立PPP连接，然后将IP报文封装在PPP帧中，通过PSTN送给用户RouterB。RouterB收到RouterA送来的PPP帧后，剥离掉PPP帧首部和尾部，从中分离出IP报文；并根据目的IP地址查路由器表。,当在路由器表中查到匹配项，得知目的服务器在RouterBLAN端口相连的LAN上，并获知服务器的MAC地址后，将IP报文封装在MAC帧中，然后送达服务器。目的服务器剥离掉MAC帧首部和尾部，LLC帧首部，从中分离出IP报文；并将IP报文交给网络层处理，传送结束。,3、SuperStackRAS1500和NETServ