数据通信与通信网基础.ppt

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1、 数据交换技术数据交换技术若H1与H5通信，则A与E分别称源结点与宿结点。通信子网必须能为所有进网的数据流提供从源结点到宿结点的通路，而实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换是面向连接的。电路交换是面向连接的。在线路交换和转接过程中，通信的双方首先必须通过网络节点建立起专用的通信信道，即在两个网络节点之间建立起实际的物理线路连接，然后，双方使用这条端到端的线路进行数据传输。如电话通信系统。3.5.1 电路交换电路交换(CIRCUIT SWITCHING)利用电路交换进行通信利用电路交换进行通信过程过程 电路

2、建立电路建立 传输数据传输数据 拆除电路拆除电路特点特点电路建立时间延迟大电路建立时间延迟大线路利用率低线路利用率低传输实时性、透明性好传输实时性、透明性好适适合合于于远远程程批批处处理理信信息息传传输输和和实时性要求高的场合实时性要求高的场合存储交换存储交换：“存储-转发”。输入的信息在交换设备的控制下，先在存储区暂存，并对存储的信息进行处理，带指定输出线空闲时，再分别把信息转发出去负荷均衡、建立电路延迟小、可进行差错控制实时性不好，网络传输延迟大3.5.2 报文交换和报文分组交换报文交换和报文分组交换1.报文交换报文交换报文(message)：站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。报

3、文交换的特点 线路利用率高，故障的影响小 不需要收、发两端同时处于激活状态 延迟时间长，不适合于对实时性要求强的传输，例如：会话或实时转播等。报文长度不限 对中间节点的要求高，例如：存储能力或处理能力等。通信不可靠、失序有时中间节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文；而且发出的报文不按顺序到达目的。2.分组交换分组交换(packet switching)分组交换将用户的大报文分成若干个报文分组(包)，并以报文分组为单位在网络中传输。每一个报文分组均含有数据和目的地址，同一个报文的不同分组可以在不同的路径中传输，到达终点以后，再将它们重新组装成完整的报文。特点：开销大（

4、地址信息），适应少量数据的传送。每个数据报（即分组）必须携带详细的地址信息。通信不可靠、失序。故障的影响小。数据报可以绕开故障区而到达目的地。高效高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活灵活 以分组为传送单位和查找路由。迅速迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。分组的长度与传输线路的质量和传输速率有关三种交三种交换的比的比较3.5.3 高速交换技术帧中继交换帧中继交换帧中继是一种减少结点处理时间的技术。帧中继以帧为单位进行交换，又称为快速分组交换快速分组交换异步传输模式异步传输模式 ATM以

5、信元为基本传输单位，主要采用了信元交换和异步时分多路复用技术。可以动态分配带宽，因此非常适合于输出突发性数据。3.6 数据通信的主要性能指标3.6.1 数据传输速率与信道带宽数据传输速率与信道带宽1.基本概念基本概念 信道带宽信道带宽 带带宽宽是是指指物物理理信信道道的的频频率率宽宽度度，即即信信道道允允许许的的最最高高频频率率和最低频率之差，单位为赫兹和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了一个频率通带。窄带信道：窄带信道：0300Hz音频信道：音频信道：3003400Hz宽带信道：宽带信道：3400Hz以上以上 数据传输速率数

6、据传输速率指单位时间内信道上传送的信息量，单位为比特/秒(bit/second)，记作bps。信道容量：信道的最大传输速率，即信道在单位时间内可以传输的最大信号量，反映信道的传输能力信道容量和信道带宽具有正比的关系：信道带宽越宽，容量越大数据传输速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率；信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率波特率（Baud）：信号每秒钟变化的次数吞吐量：信道在单位时间内成功传输的信息量（1）周期信号的）周期信号的 FOURIER 分析分析一切周期信号都可以由正弦波、余弦波叠加而成。这些波的频率由低到高分别为：f f0 0，2 2f f0

7、0，3 3f f0 0,分别称为一次、二次、三次谐谐波波波波。所有这些频率构成 S(t)的频谱频谱。f f0 0 称为基基基基频频，f f0 01/1/1/1/T T T T，T 称为信号周期。周期信号的全部频率(及其相应的振幅和初始相位)称为信号的信号的信号的信号的频谱频谱(spectrumspectrum)。信号频率区间的大小，即频谱的宽度称为信号的信号的信号的信号的带宽带宽(bandwidthbandwidth)。2.信道最大传输速率信道最大传输速率（2）NYQUIST 原理原理问题：一个模拟信号对脉冲载波进行PCMPCM 调制，就得到相应的数字信号，这是采样。从采样得到的数字信号能否恢

8、复原模拟信号？采采采采样样定理：定理：定理：定理：设设模模模模拟拟信号的信号的信号的信号的带宽带宽是是是是WW，T Ts s是采是采是采是采样间样间隔，隔，隔，隔，则则当采当采当采当采样样率率率率 f fs=1s=1/T Ts=2s=2WW时时，由采，由采，由采，由采样样数据就可以恢数据就可以恢数据就可以恢数据就可以恢复原模复原模复原模复原模拟拟信号。信号。信号。信号。话音频率4000Hz，采样率 8000次/秒。从采样定理可以得到信道带宽与信道的数据传输速率的关系 Nyquist Nyquist 原理：原理：原理：原理：设设信号是信号是信号是信号是MM值值，带宽为带宽为WW的信道的信道的信道

9、的信道传输传输的二的二的二的二进进制数据的最大速率，即信道容量制数据的最大速率，即信道容量制数据的最大速率，即信道容量制数据的最大速率，即信道容量为为 C=2W log2 MM=2，C=2W信道容量-最大数据传输率 D=2W log2 KD=传输率，单位b/s或bpsW=带宽，单位HzK=信号电平级数例如：话音级线路(3000 Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Nyquist 公式：用于理想信道非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。b）延迟信号中的各种频率成分在信

10、道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。Shannon Shannon(香农)考虑了信道有热噪声的情况设S/N 是信噪比，S是信号功率，N是噪声功率，则C=W log2(1+S/N)例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000)30Kbps（2）SHANNON定定理理Nyquist公式和Sha

11、nnel公式的比较 D=2W log2K说明数据传输率D随信号编码级数增加而增加。C=W log2(1+S/N)说明信道能达到的最高传输速率。对于一个物理信道而言，如果带宽、噪声、传输介质等已经确定，那么按照香农定理，其最大传输速率（极限速率）也就确定了，采用不同的调制技术，可以得到不同的数据传输速率，但总是小于香农定义的极限速率。反过来，如果噪声、传输介质、调制技术等都已确定，那么带宽越宽（如从10MHz扩充到20MHz），意味着数据传输速率越高。3.6.2 3.6.2 误码率误码率P Pe e误误码码率率是是指指二二进进制制码码元元在在数数据据传传输输中中被被传传错错的的概概率率，也也称称

12、为为“出出错错率率”。误码率是衡量通信系统在正常的工作情况下传输可靠性的指标传输延迟传输延迟 信息传输的延迟指数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花费的时间。信息传输的延迟时间主要与发送和接收处理时间、电信号响应时间、中间转发时间以及信道传输延迟时间有关。3.6.3 影响信道质量的其他因素通信网简介通信网简介3.7.1 公用电话交换网（公用电话交换网（PSTN）主要提供语音通信服务，同时提供数据通信业务PSTN以模拟技术为基础的电路交换网络。通信时，借助于modem实现。PSTN的主要作用是通过程控交换机之间的连接，实现用户之间的语音和数据通信。按功能分类：PSTN由国际交换局、长途交

13、换局、中心交换局、端交换局和用户等层次按系统构成分类：PSTN由交换设备不可缺少的，反映并决定PSTN的连接能力。主要有程控交换机、计算机交换机传输媒体与交换机设备构成完整的传输系统用户设备指信源和信宿设备，是用户直接使用的信令系统实现用户间通信 3.7.2 公用分组交换网公用分组交换网采用协议，又叫网采用协议，又叫网n应用在线路质量不可靠的模拟模拟电话线路上，协议的很大部分集中在寻址、流量控制、差错校验等一系列问题上，效率很低，速率一般小于或等于60Kbps。n协议是ITUT制定的“在公用数据网上以分组方式工作的数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备（DCE）之间的接口”规范n的分组有两类

14、，即控制分组和数据分组。虚电路的建立、数据传输的流量控制、虚电路的拆除等，都要用到控制分组。每个分组由分组头部和分组的数据部分组成。由分组交换机、用户接入设备和传输线路组成。由分组交换机、用户接入设备和传输线路组成。3.7.3 数字数据网数字数据网DDN数字数据网是一种利用数字信道（光纤、数字微波、卫星）和数字交叉复用技术组成的、以传输数字信号为主的数字数据传输网络。DDN简称专线。我国的DDN网叫chinaDDN，一般提供N64Kbps的数据速率，目前最高为2Mbps，由DDN交换机和传输线路组成。DDN主要用于点对点的局域网连接。DDN本身是一种数据传输网，支持任何通信协议。DDN与的区别

15、：是一个分组交换网，本身具有三层协议，用呼叫建立虚电路，具有协议转换、速率匹配等功能，适用不同通信规程、不同通信速率设备之间建立互连；只在高层协议上透明。按通信字节收费。DDN不具备交换功能，利用DDN的主要方式是租用专线，DDN是全部透明的网络，在速率大于64Kbps时采用复用技术。DDN按固定月租收费。DDN具有支持数据、语音、图像等信息传输，传输速率高、延时小、传输质量高、信道利用率高、传输距离远等特点。3.7.4 帧中继网帧中继网FR传输介质差错率低省略了的分组层，以数据链路层的帧为基础实现多条逻辑链路的统计复用和转换。帧中继网由三部分组成：帧中继网由三部分组成：帧中继接入设备（帧中继

16、接入设备（FRAD）是具有帧中继接口的任何类型的接入设备，如主机、分组交换机、路由器等帧中继交换设备。帧中继交换设备。有帧中继交换机、具有帧中继接口的分组交换机及其他复用设备,为用户提供标准的帧中继接口。公用帧中继业务。公用帧中继业务。该业务是通过用户网络接口（UNI）提供的，UNI的用户一侧是帧中继接入设备，用于本地用户设备接入帧中继网络；另一侧是帧中继交换设备，用于帧中继接口与骨干网之间的连接。帧中继的主要目标是为局域网互联提供合理的速率和较帧中继的主要目标是为局域网互联提供合理的速率和较低的价格。采用两种关键技术：低的价格。采用两种关键技术：虚拟租用线路虚拟租用线路：所谓虚拟租用线路是与

17、专线方式相对而言的。例如一条总速率640Kbps的线路，如果以专线方式平均地租给10个用户，每个用户最大速率为64Kbps，这种方式有两个缺点，一是每个用户速率都不可以大于64Kbps，二是不利于提高线路利用率。采用虚拟租用线路的情况就不一样了，同样是640Kbps的线路租给十个用户，每个用户的瞬时最大速率都可以达到640Kbps，也就是说，在线路不是很忙的情况下，每个用户的速率经常可以超过64Kbps，而每个用户承担的费用只相当于64Kbps的平均值。“流水线流水线”方式方式：指数据帧只在完全到达接收节点后再进行完整的差错校验，在传输中间节点位置时，几乎不进行校验，尽量减少中间节点的处理时间

18、，从而减少了数据在中间节点的逗留时间。每个中间节点所做的额外工作就是识别帧的开始和结尾。的每个中间节点都要进行繁琐的差错校验、流量控制等，这主要是因为它的传输介质可靠性低所造成的。帧中继正是因为它的传输介质差错率低才能够形成“流水线”工作方式。综合业务数字网（综合业务数字网（ISDN）n以电话综合数字网为基础发展而成的通信网，以公用电话交换网作为通信网络，即利用电话线进行数据传输。它提供端到端的数字连接承载包括语音和非语音在内的多种电信业务。它的基本特性是在各用户之间实现64Kbs或 128Kbps速率为基础的端到端的透明传输。nISDN的速率和接口标准：基本速率接口基本速率接口，即2B十D，

19、其中B为64Kbps的数字信道，D为16Kbps的控制数字信道；机群速率接口机群速率接口，即30BD或23BD，其中B和D均为64Kbps的数字信道。B信道主要用于传送用户信息流，D信道主要用于传送电路交换的信息或传送分组交换的数据信息。目前，电信部门采用的接口标准是2B十D，即两个数字信道。由于由于ISDN完全采用数字完全采用数字信道，因而能获得较高信道，因而能获得较高的通信质量与可靠性。的通信质量与可靠性。同时，同时，ISDN为今后可能为今后可能出现的新的通信业务提出现的新的通信业务提供了可扩展性供了可扩展性传统的电信网向ISDN发展的过程 ISDN具有如下优点：具有如下优点：速率快。通常

20、调制解调器传输速率最高不超过56KbpS，而目前电信部分开设的2BD在使用一个信道（即IB）时传输速率是64Kbps，而使用两个信道（2B）时的传输速率为128Kbps。可靠性强。ISDN将您和电话线之间的最后100英尺变成数字连接。ISDN的数字传输比模拟传输受静电和噪音的影响要小，传输数据更加安全可靠。可适用的领域宽，其中包括计算机联网、远程通信、文件交换、工作站语音通信、图像传送、多媒体信息存取等。可同时执行多个通信任务，在一条ISDN电话线上可以用一条信道保持声音通 话，用另一条信道上网。3.7.6 非对称数字用户环路非对称数字用户环路ADSL 利用普通电话线进行高速数据传输。ADSL

21、技术提供的数据传输速率是不对称的，下行速率是：1.58MbpS，而上行速率最高只有 1Mbps。ADSL的最大传输距离为。与电话拨号和ISDN拨号相比，除传输速度快的优点之外，ADSL它采用的是专线的连接方式，ADSL调制解调器与网络总是处于连接的状态;另一方面，ADSL可以做到打电话和上网同时进行。ISDN的电话通信是在ISDN信道上实现的，因而本地断电的时候会造成无法打电话的问题，ADSI无论是否有电，都不用担心。ADSL设计目的有两个功能：高速数据通信和交互视频。数据通信功能可为因特网访问、公司远程计算或专用的网络应用。交互视频包括高速网络视频通信的视频点播（VOD）、电影、游戏等3.7.7 有线电视网络（有线电视网络（cable television network）以有线电视使用的宽带同轴电缆作为传输介质，利用有线电视网（CATV）提供高速数据传输的广域网连接技术。电缆调制解调器（cable modem）除了提供视频信号业务外，还能提供语音、数据等宽带多媒体信息业务。这种技术也具有不对称的特性，上行速率是 768Kbps，下行速率最高可以达到 38Mbps。在使用 cable modem技术时，须对现有CATV系统进行双向改造，使之成为HFC系统，即双向系统。