第3章:物理层_3.ppt
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1、第第3章章 物理层物理层1上节问题上节问题:问题问题1:模拟数据编码方式分哪几种?:模拟数据编码方式分哪几种?问题问题2:数字数据编码方式分哪几种?:数字数据编码方式分哪几种?问题问题3:PCM技术分哪几步?每步应遵从什么样的规则?技术分哪几步?每步应遵从什么样的规则?问题问题4:什么是调制解调?为什么要对数字数据进行调制:什么是调制解调?为什么要对数字数据进行调制解调?解调?问题问题5:数字信道的信道容量与信道带宽是什么关系?:数字信道的信道容量与信道带宽是什么关系?问题问题6:模拟信道的信道容量与信道带宽是什么关系?:模拟信道的信道容量与信道带宽是什么关系?23两种选择:两种选择:信号与模
2、拟数据信号与模拟数据 占据相同的频谱占据相同的频谱 模拟数据被编码模拟数据被编码到不同的频谱到不同的频谱用用modem对数字数对数字数据编码,产生模拟据编码,产生模拟信号。信号。MODEM(P84-86)用用codec对模拟数对模拟数据编码,产生一据编码,产生一数字位流。数字位流。PCM 技术技术(P76-78)两种选择两种选择(P74-76)两个电压级代两个电压级代 表两个二进制表两个二进制 编码产生具有特编码产生具有特定性质的信号定性质的信号模拟信号模拟信号 数字信号数字信号模拟数据模拟数据数字数据数字数据4信道速率的极限值奈奎斯特准则奈奎斯特准则:在有限带宽、无噪声的信道上,:在有限带宽
3、、无噪声的信道上,(Nyquist)二进制数据信号二进制数据信号的最大数据传输速率的最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽与通信信道带宽B(B=f,单位单位Hz)的关系为的关系为Rmax=2f(b/s)。)。P81离散无噪声的数字信道信道容量离散无噪声的数字信道信道容量=2Blog2 M香农定理香农定理:在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,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)数据传输速率Rmax与信道带宽与信道带宽B,信噪比信噪比S/N 的关系为的关系为Rmax=Blog2(1+S/N)S/N为信噪比。为信噪比。P81+db实际带噪声的模拟信道容量实际带噪
4、声的模拟信道容量=Blog2(1+S/N)S/Ndb=10 log10 S/N5信号之间的差别。信号之间的差别。频频率率上上的的不不同同、信信号号出出现现时时间间上上的的不不同同或或信信号号码码型型结构上的不同。结构上的不同。实现多路复用的关键实现多路复用的关键把多路信号汇合到一把多路信号汇合到一条信道上之后,在接条信道上之后,在接收端必须能正确地分收端必须能正确地分割出各种信号。割出各种信号。分割信号的依据分割信号的依据 多路复用技术分类多路复用技术分类频分多路复用频分多路复用(FDM)以信道频带分割以信道频带分割波分多路复用波分多路复用(WDM)以信道频带分割(光波)以信道频带分割(光波)
5、时分多路复用时分多路复用(同步同步TDM)以信道传输时间分割以信道传输时间分割同步时分多路复用同步时分多路复用(Synchronous TDM,STDM)统计时分多路复用统计时分多路复用TDM(asynchronous TDM,异步异步TDM或智能或智能TDM)6 交换交换(exchanging/Switching)(exchanging/Switching)端局长途局交换局长途局端局广域网的数据交换:广域网的数据交换:线线路交换路交换(circuit switching)(circuit switching)存储转发交换存储转发交换(store and forward switching)(
6、store and forward switching)报文交换报文交换(message switching(message switching)分组交换分组交换(packet switching,or(packet switching,or包交换包交换)PDN)PDN 数据报方式数据报方式(datagram,DG)(datagram,DG)虚电路方式虚电路方式(virtual circuit,VC)(virtual circuit,VC)3.7 广域网中的数据交换技术73.7.1 线路交换方式线路交换是线路交换是面向连接面向连接的服务的服务发送方和接收方设备之间将建立一条发送方和接收方设备之
7、间将建立一条专用的物理线路专用的物理线路,并,并在通话期间保持不变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个阶段实时性好实时性好,适用于交互式会话类通信适用于交互式会话类通信稳定的数据传输速率稳定的数据传输速率不存在信道访问延迟不存在信道访问延迟无存储无存储/差错能力,差错能力,不能平滑交通量不能平滑交通量不能充分发挥传输媒体的潜力不能充分发挥传输媒体的潜力传输媒体的价格昂贵传输媒体的价格昂贵长距离连接的建立过程长长距离连接的建立过程长 优点优点 缺点缺点8线路交换过程示意图线路交换过程示意图请演示动画93.7
8、.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发送送的的数数据据与与目目的的地地址址、源源地地址址、控控制制信信息息按按照照一一定定格格式式组成一个数据单元(报文或报文分组)进入通信子网;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。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: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存储转
9、发延迟排队延迟排队延迟缓冲区=队列TransmissionlinkofRbps10存储转发方式的优点由由于于通通信信子子网网中中的的通通信信控控制制处处理理机机可可以以存存储储分分组组,多多个分组可以共享通信信道,个分组可以共享通信信道,线路利用率高线路利用率高;通通信信子子网网中中通通信信控控制制处处理理机机具具有有路路选选功功能能,可可以以动动态态选择报文分组通过通信子网的最佳路径;选择报文分组通过通信子网的最佳路径;可以可以平滑通信量平滑通信量,提高系统效率;,提高系统效率;分分组组在在通通过过通通信信子子网网中中的的每每个个通通信信控控制制处处理理机机时时,均均要要进进行行差差错错检检
10、查查与与纠纠错错处处理理,因因此此可可以以减减少少传传输输错错误误,提高系统可靠性;提高系统可靠性;通过通过通信控制处理机通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行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。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:存储转发交换方式又分:报文(报文(message)交换交换报文分组(报文分组(packet)交换交换报文:发送数据报文:发送数据+始发地和目的地的地址始发地和目的地的地址+控制信息控制信息报文分组传输:限制一次传输数据的最大长度,将一个报文分组传输:限制一次传输数据的最大长度,将一个
11、长报文分成多个报文分组发送。长报文分成多个报文分组发送。报文和报文分组 12MMMP1P1P1P2P3P4P2P3P4P2P3P4传播传播延迟延迟排队排队延迟延迟线路交换线路交换报文交换报文交换分组交换分组交换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线路交换预先静态地保留所要带宽,而分组交换留所要带宽,而分组交换却是根据需要,动态地获却是根据需要,动态地获得和释放带宽得和释放带宽线路交换是完全透明的线路交换是完全透明的收费
12、方法不同收费方法不同 与线路交换的区别与线路交换的区别主主要要在在于于包包交交换换技技术术限限制了数据包最大尺寸制了数据包最大尺寸 与报文交换的区别与报文交换的区别传输延迟短传输延迟短出现传输错误时的处理不同出现传输错误时的处理不同请演示动画143.7.3 数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式;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与目的主机之间建立“线路连接线路连接”;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;输路径;每个分组
13、在通信子网中可能是通过不同的传输路径到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。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可以由不同的传输路径通过通信子网;同同一一报报文文的的不不同同分分组组到到达达目目的的结结点点时时可可能能出出现现乱乱序序、重重复复与与丢失现象;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;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,数据报方式报文传输延迟较大,适用于突发性通信适用于突发性通信,不适用,不
14、适用于长报文、会话式通信。于长报文、会话式通信。173.7.4 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来,处分发挥两种方法的优点,以达到最佳的数据交换效果换效果;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,整个通信过程分为虚电路方式
15、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以下三个阶段:虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。阶段。18虚电路方式原理示意图虚电路方式原理示意图请演示动画19虚电路的特点在在每每次次分分组组发发送送之之前前,必必须须在在发发送送方方与与接接收收方方之之间间建建立立一一条条逻逻辑辑连连接接。这这是是因因为为不不需需要要真真正正去去建建立立一一条条物物理理链链路,路,连接发送方与接收方的物理链路已经存在连接发送方与接收方的物理链路已经存在;一一次次通通信信的的所所有有分分组组都都通通过过这这条条虚虚电电路路顺顺序序传传送送,因因此此报报文文分分组组不不必必带
16、带目目的的地地址址、源源地地址址等等辅辅助助信信息息。分分组组到到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象;达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象;分分组组通通过过虚虚电电路路上上的的每每个个结结点点时时,结结点点只只需需要要做做差差错错检检测,而不需要做路径选择;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。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,称为虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接,称为“虚虚电路电路”是因为这种电路是因为这种电路不是专用的不是专用的。每个结点到其
17、他。每个结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在;结点间可能有无数条虚电路存在;一个结点一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路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。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。优点,因此在计算机网络中得到了广泛的应用。21数据报数据报(datagram)(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
18、还是按照虚电路号两者的区别:交换机是按照主机目的地址还是按照虚电路号来路由包。来路由包。虚电路虚电路(virtual circuit)(virtual circuit)与线路交换类似按虚电路号路由包如 X.25,帧中继,ATM。22数据报交换方式数据报交换方式1234567BADEFCP1P2P3P1P2P323虚电路交换方式虚电路交换方式“虚拟虚拟”:两个设备之间实际并不存在一条专用的物理电路1234567BADEFCP1P2P3P1P2P324虚拟电路虚拟电路所有数据包都沿着发送设所有数据包都沿着发送设备与接收设备之间建立的备与接收设备之间建立的逻辑链路传送。逻辑链路传送。两种分组交换方式
19、的比较两种分组交换方式的比较数据报数据报数据包沿着不同的路数据包沿着不同的路由发送。由发送。虚拟电路虚拟电路网络可提供顺序性和差网络可提供顺序性和差错控制;包的传送更快错控制;包的传送更快数据报数据报避免了呼叫建立阶段;避免了呼叫建立阶段;更灵活;本质上更可靠更灵活;本质上更可靠253.7.5 ATM交换方式ATM是一种是一种面向连接面向连接的技术;的技术;采用小的、固定长度采用小的、固定长度53字节的信元字节的信元作为数据传输单元;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;能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信;ATM以以统统计计时时分分多多路路复复用用方方式式动动态
20、态分分配配网网络络带带宽宽,网网络络传传输输延时小,适应实时通信的要求;延时小,适应实时通信的要求;ATM没没有有链链路路级级纠纠错错与与流流量量控控制制,协协议议简简单单,数数据据交交换换效效率率高;高;ATM采用采用两级虚电路两级虚电路机制,增加了虚电路分配的灵活性;机制,增加了虚电路分配的灵活性;ATM的的数据传输速率可以在数据传输速率可以在155Mb/s2.4Gb/s。26ATM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;单元是信元;在在ATM交换方式中,文本、语音、视频等所数据将被交换方式中,文本、语音、视频等所数据将
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