计算机网络第三章(rev1).ppt

计算机网络原理,第3章物理层,3.1 物理层接口与协议3.2 传输介质3.3 数据通信技术3.4 数据编码3.5 数据交换技术,第3章物理层,物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的传输介质（即通信通道），物理层的传输单位为比特（bit），即一个二进制位（“0”或“1”）。物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理介质，而是指在物理介质之上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连接。,物理层建立在物理通信介质的基础上，为设备之间的数据通信提供传输介质及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。物理层考虑的是如何才能在连接各种计算机的传输介质上传输比特流，而不必考虑连接各种计算机的具体物理设备和传输介质。,3.1 物理层接口与协议,3.1.1 物理层接口 物理层上的协议也称为接口。它规定了与建立、维持及断开物理信道有关的特性。,3.1.2 物理层的功能和提供的服务（1）为数据端设备提供传送数据的通路。数据通路可以是一个物理介质，也可以是多个物理介质连接而成.一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理介质参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。（2）传输数据。物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。（3）完成物理层的一些管理工作。网络节点的物理层控制网络节点与物理通信通道之间的物理连接。,DTE和DCEDTE（数据终端设备）又称物理设备，如计算机、终端等.DCE（数据电路端接设备）是对为用户提供入接点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。由于数据终端设备的数据传输能力有限，因此，必须在DTE和传输线路之间加上DCE，DCE的作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接。,物理层的主要任务描述为确定与传输介质的接口的一些特性，即：机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,3.1.2 物理层的功能和提供的服务,3.1.2 物理层的功能和提供的服务,机械特性(mechanical characteristics)机械特性规定了DTE和 DCE实际的物理连接。规定物理连接器的规格尺寸、插针或插孔的数量和排列情况、相应通信介质的参数和特性等。,常用的被ISO标准化的机械接口有：ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-AISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22,1.机械特性(mechanical characteristics),（1）ISO-2110。数据通信用25针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。EIA RS-232C和EIA RS-366A等均是与ISO-2110相兼容的标准,可用于音频调制解调器、公用数据网络的接口中。,RS-232C,EIA RS-232C是一种目前使用最广泛的串行物理接口，主要机械特性：建议使用25针连接器(DB-25)。在DTE一侧采用孔式插座形式，DCE一侧采用 针式插头形式，并对连接器的尺寸、针或孔芯的排列位置等都作了确切的规定。,。,图3.4 DTEDCE接口图,ELA RS-232C接口标准EIA RS-232是美国电子工业协会在1969年颁布串行物理接口标准。RS（Recommended Standard）的意思是“推荐标准”，232是标识号码，“C”表示该推荐标准被修改过的次数,RS-232C的机械接口分为9针、15针和25针三种类型。标准的RS-232C接口使用25针的DB连接器（Database Bus Connector）。RS-232采取不平衡传输方式，即单端通讯。其传输距离最大约为15m，最高速率为20kbps，且只能支持点对点通信。RS-232C标准接口也可以用于直接连接两台近地设备，如图3.5所示，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。,图3.5DTE和DCE的近地连接,（2）ISO-2593。数据通信用34针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。可用于CCITT V.35建议的宽带调制解调器中。,（3）ISO-4902。数据通信用37针和9针DTE/DCE接口连接器。可用于音频和宽带调制解调器中,与EIA RS-449相兼容。,（4）ISO-4903。数据通信用15针DTE/DCE接口连接器。可用于由CCITT X.20、X.21及X.22建议中所指定的公用数据网络的接口中。,2.电气特性,电气特性规定了在链路上传输二进制比特流有关的电路特性，如信号电压的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等，通常包括发送器和接收器的电气特性以及与互连电缆相关的有关规则等。物理层电气特性分3类：非平衡型、新型非平衡型和平衡型。,几种CCITT 标准化的电气特性标准是：CCITT V.10/X.26：新型非平衡式电气性能。与之相兼容的标准有EIA RS-423A等。CCITT V.11/X.27：新型平衡型电气特性。与之相兼容的标准有EIA RS-422A等。CCITT V.28：非平衡型电气特性。与之相兼容的标准有EIA RS-232C。CCITT X.21/EIA RS-449平衡型电气特性,传统非平衡型采用单信号传输线和公共地线，信号发送器和接收器都是非平衡型工作方式。非平衡型电气特性电气性能比较好，但信号线间易产生干扰。,3.功能特性,功能特性是指接口的信号根据其来源、作用以及与其它信号之间的关系而各自所具有的特性功能，即DTE-DCE之间各信号线的信号含义。通常信号线可分为四类：数据线、控制线、同步线和接地线。,4.规程特性,规程特性就是协议。规程特性说明了交换电路进行数据交换的一组操作序列,由这些规程来完成位传输功能。规程特性定义DTE和DCE通过接口连接时，各信号线进行二进制位流传输的一组操作规程（动作序列），如，怎样建立、维持和拆除物理连接，全双工还是半双工操作等等。RS-232-C/CCITT V.24与X.21是两个著名的物理层协议实例。,典型的物理层接口标准 EIA RS-232-C,EIA RS-232C是美国电子工业协会(Electronic Industry Association,EIA)1969年修订的物理接口标准。RS(Recommended Standard)的意思是“推荐标准”，232是一个标识号码,C表示该标准已被修改过的次数。,RS-232C标准,电缆长度30m（20kbps）传输速率20Kbps异步口用于用户线路为模拟线路时，用户端DTE和DCE的连接。或者两个邻近数据处理设备之间的低速接口。,RS-232C机械特性,RS-232C没有规定固定的接口外观25针9针,RS-232C机械特性,RS-232C电气特性,RS-232C功能特性,RS-232C功能特性,TXD-Transport DATARXD-Received DataRTS-Request to SendCTS-Clear to SendDSR-Data Set ReadyDCD-Carrier DetectDTR-Data Terminal ReadyRI-Ringing IndicatorGND-GrouNDSG-Singnal Ground,RS-232C规程特性,X.21标准,使用数字线路连接公用数据网时，用户端DTE和DCE的接口。同步接口速率：10Mbps 电缆长度：300m,X.21机械特性,3.2 传输介质,传输介质的种类,传输介质,软介质（无线）,硬介质（有线）,双绞线,同轴电缆,光纤,微波,卫星,3.2 传输介质,3.2.1 双绞线双绞线（Twisted-Pair）它由四组两两緾绕在一起的8根绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米。两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线对中产生干扰信号。在8根线中，计算机网络使用12、36两组线对分别来发送和接收数据。双绞线接头为具有国际标准的RJ-45插头和插座。双绞线分为屏蔽（Shielded）双绞线STP和非屏蔽（Unshielded）双绞线UTP，非屏蔽双绞线的线缆外皮作为屏蔽层，适用于网络流量不大的场合中。,表3.1 UTP电缆的常见类型,双绞线,分类：屏蔽双绞线，简称STP无屏蔽双绞线，简称UTP种类：UTP标准（1，2，3，4，5，超5，6类线）常用：5类线,以箔屏蔽以减少 干扰和串音,3类、5类双绞线外没有任何附加屏蔽,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),UTP,3类UTP和5类UTP绞合密度不同,Category 3 UTP.,Category 5 UTP,局域网常用双绞线EIA/TIA标准UTP类,局域网常用双绞线,双绞线线序及RJ-45接口,双绞线线序EIA/TIA T568A标准 T568B 标准,T568A 白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕 T568B 白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕,3.2.2 同轴电缆两种：电阻50同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种是电阻为75同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。同轴电缆以单根铜导线为内芯，外裹一层绝缘材料，外覆密集网状导体，最外面是一层保护性塑料。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。两种接法：直径为0.4cm的RG-11粗缆采用凿孔接头接法；直径为0.2cm的RG-58细缆采用T型头接法。粗缆符合10Base-5介质标准，单根最大长度为500m，最多可接100台计算机，两台计算机的最小间距为2.5m。细缆按10Base-2介质标准连到网卡的T型头上，单段最大长度185m，最多可接30个工作站，最小站间距为0.5m。,同轴电缆,同轴电缆,3.2.3 光纤光导纤维（Optical Fiber）是软而细的、利用内部全反射原理来传导光束的传输介质，有单模（只提供单路光通道）和多模（提供多路光通道）之分。单模（模即Mode，入射角）光纤多用于通信行业。多模光纤多用于网络布线系统。光纤为圆柱状，由3个同心部分组成纤芯、包层和护套，每一路光纤包括两根，一根接收，一根发送。用光纤作为网络介质的LAN技术主要是光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）。在光纤一头的发射器使用LED光发射二极管（Light Emitting Diode）或激光（Laser）来发射光脉冲，在光纤另一头的接收器使用光敏半导体管探测光脉冲。,图1.6几种常见有线介质,光纤通信的优点,传输频带宽、通讯容量大。信号损耗低、中继距离长。不受电磁波干扰、抗腐蚀、抗辐射、无电火花、可绕性好、泄露小、保密性强。线径细、重量轻、原料为石英，节省金属材料。资源丰富。,缺点质地脆，机械强度低 易碎不易接续，切断连接技术复杂,光纤,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,光纤传输系统,光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。,驱 动 电 路,光 源,光 中继 器,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,3.2.4 无线传输介质,无线传输介质是指在两个通信设备之间不使用任何物理连接，而是通过空间传输的一种技术。无线介质不使用电或光导体进行电磁信号的传递工作。1、无线电波无线电磁波的频谱在10KHz1GHz之间。它可以通过各种传输天线产生全方位广播或有向发射。典型的天线包括方向塔、缠绕天线、半波偶极天线以及杆型天线。（1）低功率、单频率无线电仅适用于短距离、开放式环境中。（2）大功率、单频率无线电也可以在整个无线电频率范围使用。它主要用于长距离户外环境。（3）扩展频谱无线电的传播，同时采用多种频率的方式.无线电波方便用于远距离通信，灵活机动、抗自然灾害能力和可靠性高，但信号失真大。,2、微波（1）地面微波：一般采用定向抛物面天线，要求发送与接收方之间的通路没有大障碍或视线能及。信号一般在低GHz频率范围。适合跨跃荒凉或难以通过的地段。一般它经常用于连接两个分开的建筑物或在建筑群中构成一个完整网络。它的频段：46GHz或2123GHz之间。（2）卫星微波：利用地面上的定向抛物天线，将视线指向地球同频卫星。卫星微波传输跨越陆地或海洋。由于信号传输的距离相当远，所以会有一段传播延迟。这段传播延迟时间小为500ms，大至数秒。卫星微波也常使用低GHz频率，在1114GHz之间。微波具有频段范围宽，信道容量大、传输质量可靠，投资少、见效快等优点，但安全、保密性差，维护费用高。,微波,视距传播 电离层反射,3、红外系统 红外系统采用光发射二极管（Lighting Emitting Diode，LED）、激光二极管（Laser Diode，LD）来进行站与站之间的数据交换。它分为点到点与广播式两类：（1）点到点红外系统红外传输器使用光频（大约100GHz到1000THz）的最低部分。一般用于数据传输的红外装置都非常便宜。然而它的安装必须精确到绝对点对点。它的传输率一般为几Kbps，根据发射光的强度、纯度和大气情况，衰减有较大的变化，一般距离为几米到几公里不等。聚焦传输具有极强的抗干扰性。（2）广播式红外系统广播式红外系统是把集中的光束，以广播或扩散方式向四周散发。这种方法也常用于遥控和其它一些消费设备上。红外系统具有抗干扰能力强，易安装，传输速率高等优点，但方向性高。,4、卫星通信优点：卫星通信的传播距离远。同步通信卫星可以覆盖最大跨度达一万八千公里的区域。卫星通信路数多、容量大。卫星通信质量好、可靠性高。卫星通信运用灵活、适应性强。成本低。卫星通信传播时延长，复杂度和造价高。,卫星,无线传输的特点,优点：不需铺设传输线路单段传输距离远缺点：受环境影响大卫星通信的时延大,3.3数据通信技术,通信系统概述通信的目的就是传递信息。,通信系统模型,3.3数据通信技术,3.3.1 通信信道1、数据 数据是计算机所能接受的（二进制）符号，是网络中存储、传输和处理的对象。例如，文字、图形、图像、语音及其他的数字数据等。2、信息信息是经过加工处理之后的数据，是数据的内容和解释。而数据则是未经加工的数据。按照这种标准，数据也就是原始数据。,3、信源、信宿和信道 信源是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。信宿是通信过程中接收和处理信息的设备或计算。信道是传送信号的一条通路，由传输介质和传输设备构 成。同一传输介质上可能提供多条信道。一条信道允许一路信号通过。,4、信号信号是携带信息的传输介质。CCITT指出：“信号是以其某种特性参数的变化来代表信息的”。信号的频谱宽度称为信号的带宽。信号分数字信号和模拟信号。模拟信号是连续变化的电信号。数字信号是电脉冲序列的电信号。,图3.1模拟信号 图3.2数字信号,5、码元码元指网络传送的数据的每一位。如二进制数据100101由6个码元组成，而八进制数据165由3个码元组成，相当于9位二进制数据。6、数据包和数据帧在数据传送时，往往要将传送的大段数据划分成若干个小数据段，并附加一些信息（如序号、地址、校验等）形成一个逻辑数据单位，称为数据包（Packet）。在实际传输时，还要将数据包划分为更小的逻辑数据单位，称为数据帧（Frame）,数据通信系统的主要质量指标通信的有效性和可靠性是数据通信系统最重要的两个指标。有效性指传输一定的信息量所消耗的信道资源（带宽或时间），可靠性指接收信息的准确程度。,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,数字信号通过实际的信道,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形(失真不严重),“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（或千赫、兆赫、吉赫等）。*现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 bps(bit/s)。,信道带宽,数字信号流随时间的变化,在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。,模拟通信系统的主要质量指标（1）有效性模拟通信系统的有效性用有效传输带宽度量。频带宽度越窄，有效性越好。（2）可靠性模拟通信系统的可靠性用接收端最终的输出信噪比度量。信噪比越大，通信质量就越高。数字通信系统的质量指标数字通信系统的有效性用传输速率衡量，可靠性用差错率（误码率）衡量。,1、数据传输速率,数据传输线路上每秒内传输的二进制数据位数称为数据传输速率（信息速率），记为R。单位为比特/秒或bps（bit per second）。单位时间内传输的码元数称为码元速率（信号传输速率），记为B。单位为码元/秒或波特（Baud）,若码元的宽度为T秒，则码元速率定义为 B 1/T一个二进制码元的信息量为 1 bit，一个N进制码元的信息量为log2 N bit。故 R(1/T)log2 N（bps）因此，码元速率B和信息速率R之间的关系为 B R/log2 N（Baud）或 R B log2 N（bps）,波特率与比特率的关系,n 为一个码元携带信息量的位数M 为码元状态数,或,波特率与比特率的关系,波特率一定的条件下，用1个码元表示更多的比特位可以提高信息传输速率。,比特率=nX波特率,2、信道容量信道容量表征一个信道传输的能力，单位为位/秒（bps）。它与数据传输速率的区别：信道容量表示 信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限；数据传输速率表示实际的数据传输速率。,奈奎斯特（Nyquist）给出无噪声情况下码元速率的极限值Bm=max(B)与信道带宽H的关系：Bm 2H（Baud）H也称为频率范围，即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。设信道的最大数据传输速率C=Rm=max(R)则有C Bm log2 N 2H log2 N（bps）,实际的信道受到各种噪声的干扰，香农（Shannon）给出计算信道容量的香农公式C Hlog2（1+S/N）（bps）S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比。但是，当讨论信噪比（S/N）时，常以分贝（dB）为单位。公式如下：SNR(信噪比，单位为dB)=10log10(S/N)故S/N=10exp(SNR/10)所以 C Hlog2（1+10exp(SNR/10)）（bps）例如，信噪比为30dB，带宽为3kHz的信道的最大数据传输速率C为C Hlog2（1+10exp(SNR/10)）3log2（1+10exp(30/10)）30kbps可见，只要提高信道的信噪比，就可提高信道的最大数据传输速率。,奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,3、差错率 二进制码元被传输出错的概率称为差错率（误码率）。设被传错的码元数为Ne，传输的二进制码元总数为N，则误码率（误符号率）为 Pe 错误码元数/传输的总码元数 Ne/N 计算机网络中，误码率通常要求低于109。误比特率（误信率）定义 Pb 错误比特数/传输的总比特数 差错率越小，通信的可靠性越高。,4、数据通信的几种方式,（1）并行通信方式 数据传输中，至少有8 个数据位（可附加一位数据校验位）同时从一个设备传送到另一个设备，发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备。接收设备接收到这些数据后，不经过任何改变就可直接使用。优点：传输速度快，处理简单。并行数据传输见图3.12。,并行传输,0123:n-1信号地,0123:n-1信号地,1,1,1,0,0,0,1,并行,（2）串行通信方式 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输如图3.13所示。,串行传输,源DTE,目的DTE,信号地,1 0 0 1 0 0 1 1,串行,成本低，远程通信中常用需解决位同步问题,（3）单工通信与双工通信串行数据通信方式有三种，即单工、半双工和全双工通信。单工数据传输（Simplex Transmission）只支持数据在一个方向上传输，如图3.14（a）所示。如电台发送，收音机的接收等。,图3.12并行数据传输图3.13串行数据传输,半双工数据传输（Half Duplex Transmission）允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信，如图3.14（b）所示。例如，无线电话机就是一种半双工设备。,图3.14单工、半双工与全双工通信,全双工数据通信（Full Duplex Transmission）允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力，如图3.14（c）所示。例如，电话机是一种全双工设备，任意一方可同时听到另一方的说话。,3.3.2 模拟数据通信和数字数据通信,编码是将模拟数据或数字数据变换成数字信号，以便通过数字通信介质传输出去的过程。而在接收端将收到的数字信号反变换恢复成原来的模拟或数字信号的过程称为解码。数据与信号之间可能的四种组合方式如图3.16所示。,图3.16 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示,（1）模拟信号的模拟传输,（2）模拟信号的数字传输,3信号传输过程,（3）数字信号的模拟传输,（4）数字信号的数字传输,（1）模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。模拟电话通信是它的一个应用模型。（2）数字数据可以用模拟信号来表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。,（3）模拟数据也可以用数字信号来表示。对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC（Coder and Decoder）。它将直接表示声音数据的模拟信号，编码转换成二进制流近似表示的数字信号；而在线路另一端的CODEC，则将二进制流码恢复成原来的模拟数据。数字电话通信是它的一个应用模型。（4）数字数据可以用数字信号来表示。数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。数字数据专线网网络通信是它的一个应用模型。,多路复用技术,多路复用：在一条物理信道上能同时传输多路信号，并且信号之间互不影响。能够完成多路复用和解复用的设备就称为多路复用器。,1、频分多路复用技术频分多路复用：在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号。优点：信道利用率高、允许复用路数多、分路方便。缺点：设备复杂、存在非线性失真和抗干扰性能差。,图3.17(a)FDM子信道示意图 图3.17(b)FDM原理图,未复用,频分复用,FDMA主要应用,主要应用：传统电话通信系统ADSL（非对称数字用户线路）将双绞线划分出3个频段04KHz 传统语音信号2050KHz 计算机上传的信号150500KHz 计算机下载的信号1401100KHz,2、时分多路复用技术时分多路复用：将一条物理信道按传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧占用的时间也相同。,图3.17(c)TDM子信道示意图 图3.17(d)TDM原理图,3、波分多路复用WDM波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是在一根光纤中同时多个波长的光载波信号，而每个光载波可以通过FDM或TDM方式，各自承载多路模拟或多路数字信号。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。光纤上WDM的基本原理见图3-19。,波分复用,3.3.4 异步传输与同步传输,数字数据通信（模拟信号或数字信号）的基本要求是，接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间。同步传输：一次传输的是一个数据块，在每个数据块前用一个前文模式开始，用一个后文模式结束，加上前文和后文的数据称为一帧。,异步通信同步通信,图3.20同步传输原理,2、异步传输异步传输以字符（58位）为通信单位。它在发送字符的首尾设置起始位和停止位，所以通信双方无需使用同一时钟。每个字符作为独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可任意变化。为了实现字符同步，每个字符的第一位前加1位起始位（逻辑“1”），字符的最后一位加1，或2位终止位（逻辑“0”）。异步传输的比特流结构如图3.21所示。,图3.21异步传输的比特流结构,异步通信一般要求收发双方的波特率相同。异步通信和同步通信的比较：异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。因此，异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小。异步通信只适用于点到点通信，同步通信可用于点到多点通信。异步传输相对于同步传输效率较低。,1、数字数据的数字信号编码 数字信息可表示为一个数字序列，a-2，a-1，a0，a1，a2，an，简记为an。an是数字序列的基本单元，称码元。每个码元只能取离散的有限值，二进制中an取“0”或“1”，M进制中，an取“0，1，2，Mn-1”等M个值。实际传输时需对基带信号进行编码来表示数据，数据编码工作由网络硬件完成。,3.4 数据编码3.4.1 数据编码技术,3.4.1 数据编码技术,（1）不归零编码 不归零编码用两个不同的电位分别表示二进制数字代码0（低电位）和1（高电位）。缺点：无法判断一个位的开始与结束，要采用某种措施保证发送时钟与接收时钟同步。（2）曼切斯特编码曼切斯特编码方式在每个时钟周期中间产生一个跳变。由高电位向低电位的跳变表示“1”，由低电位向高电位的跳变表示“0”。优点：自带时钟信号，发收双方可根据跳变来保持同步。,（3）差分曼切斯特编码 差分曼切斯特编码是对曼切斯特编码的改进。编码规则：若码元为1，则其前半个码元的电位与上一个码元的后半个电位一样；若码元为0，则其前半个码元的电位与上一个码元的后半个电位相反。不论码元是1或0，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电位的转换。差分可以获得较好的抗干扰性能。,图3.22常用数字信号编码,2、模拟数据的数字信号编码脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）过程由采样、量化与编码三个步骤组成。采样：把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的采样信号。采样定理：Fs(=1/Ts)2Fmax 或 Fs 2 Bs 式中，Fmax为原始信号的最高频率，Fs为采样频率,Ts为采样周期，Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽,（1）采样,（2）量化,量化是将采样值以某个最小数量单位的整数倍来表示采样数值的大小，是在幅值上的离散化。,（3）编码,编码是将量化值用相应的二进制编码来表示。,3.4.2 调制解调器,调制（modulation）的过程是通过数字信号对一定频率的正弦载波信号的幅度，频率或相位进行控制，使得数字信号加载在载波信号上，并在信道上传输。解调（demodulation）是在接收端将数字信号从载波信号上提取出来。,调制解调器（modem）,1、模拟用户线路的调制解调器 在远距离网络中或连接远程终端时，常采用现有的电话网络来传输数据。按国际标准，每条电话信道带宽为3.1kHz（语音信号的频率范围是3003400Hz），这类信道上无法传输频带很宽且集中在低频段的基带信号。因此就将数字信号转化为模拟信号进行传输。方法：在音频范围内选择某一频率的正弦波（称载波），将要传送的数字数据“寄载”在载波上，即利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，使载波特性发变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。将数字数据寄载在载波上的过程称为调制。当携带数据信号的载波到达接收端时，要将数字信号分离出来，称为解调，然后提供给接收设备。有三种调制方式，如图3.23所示。,调幅、调频、调相,三种基本调制方式分别为调幅、调频、调相，又称为幅度键控、频移键控和相移键控,2、数字用户线路 数字用户线路(Digital Subscriber Line,DSL),是对在本地电话网线上所提供的数字数据传输的一整套技术的总称。根据数字用户线的具体实施技术和服务水平的不同，其下载速率可从128kbps24000 kbps不等。上传速率低于下载速率者称为异步数字用户线(Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL);等于下载速率者称作同步数字用户线(Symmetric Digital Subscriber Line，SDSL)。,3.5数据交换技术,3.5.1 线路交换线路交换又称为电路交换，它通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通讯线路。在如图3.24所示的电话系统（线路交换系统）中，两个站之间有一个实际的物理连接，这种连接是节点之间的连接序列。,图3.24 电话系统,线路交换的过程三个阶段：1、线路建立发起方站点向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间结点传输至终点；如果中间结点有空闲的物理线路可以使用，接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间结点；整个过程持续进行，直至终点。线路一旦被分配，在未释放之前，其它站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。2、数据传输在已经建立物理线路的基础上，站点之间进行数据传输。数据既可以从发起方站点传往响应方站点，也允许相反方向的数据传输。由于整个物理线路的资源仅用于本次通信，通信双方的信息传输延迟仅取决于电磁信号沿介质传输的延迟。3、线路拆除当站点之间的数据传输完毕后，执行拆除线路的动作。该动作可以由任一站点发起，拆除线路请求通过途经的中间结点送往对方，释放线路资源。,特点：（1）信息传输延时少，适合于实时成批传送数据。（2）需要一定的时间才能建立连接，如果线路被占用，则无法估计要等待多长时间才能重新进行连接建立。（3）信道利用率低，两方数据传输要独占整个传输通路,3.5.2 报文交换它不需要在两个站点之间建立一条专用通路，通信时将待发送的数据分割成一份份报文（一次通信所要传输的所有数据叫报文，它是信息的一个逻辑单位）正文，在每份报文正文前后附上目的站点地址（编码方式，叫做地址码）、发送站点地址等信息形成一个报文，再以报文作为信息传送的基本逻辑单位传输。通信子网中每个节点都设置缓冲存储器，到达的报文先送入相应缓冲区暂存，然后为其选择下一段发送路径（称为路由选择），一旦下一段线路空闲，则向下继续传送。这样经过多次存储、转发、直至报文到达目的地。,优点：（1）线路效率较高，这是因为许多报文可以用分时方式共享一条节点到节点的通道。（2）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前暂时存储这个报文。（3）在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫。而在报文交换上却仍然可以接收报文，只是传送延迟会增加。（4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。（5）能够建立报文的优先权。（6）报文交换网可以进行速度和代码的转换，因为每个站都可以用它特有的数据传输率连接到其他点，所以两个不同传输率的站也可以连接，另外还可以转换传输数据的格式。,3.5.3 分组交换分组（Packet）是指包含用户数据和协议头（包括地址和管理信息）的块，每个分组通过网络交换机或路由器被传送到正确目的地。一个信息可能被细分为多个分组，每个分组独立进行传输，并能遵循不同的路由到达最终的目的地。一旦每个信息的所有分组都到达目的地，它们将被重组成源信息。该过程称为分组交换。分组交换（也称包交换）是报文交换的改进。它结合了线路交换和报文交换两者的优点，使其性能达到最优。分组交换形式上非常像报文交换，都按存储转发原理传送数据。差别：分组交换网中要限制传输的数据单位长度，把长的报文或大的数据块分割成小段，为每小段附上地址、分组编号、校验等信息构成一个数据分组（也称数据包），作为存储转发的逻辑数据单位。对各个数据分组独立选择路由进行发送,分组交换包含两种基本途径：（1）虚拟电路（Virtual Circuit）分组交换：在两个终端节点会话期间，为传送所有分组信息，需在中间节点间建立路由，即初始安装阶段。在每个中间节点中，需要在表中注册一个实体，表示连接中需要的路由已经建立。（2）数据报1（Datagram）交换：该途径采用一种不同的、更动态的模式决定网络链路中的路由。将每个分组看作一个实体，每个分组头部包含关于分组目的地的全部信息。中间节点通过检查分组头部，决定能发送分组到达目的地的节点。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。,特点：（1）线路利用率高：分组交换以虚电路的形式进行信道的多路复用，实现资源共享，可在一条物理线路上提供多条逻辑信道，极大地提高线路的利用率。使传输费用明显下降。（2）不同种类的终端可以相互通信：分组网以X.25协议向用户提供标准接口，数据以分组为单位在网络内存储转发，使不同速率终端，不同协议的设备经网络提供的协议变换功能后实现互相通信。（3）信息传输可靠性高：在网络中每个分组进行传输时，在节点交换机之间采用差错校验与重发的功能，因而在网中传送的误码率大大降低。而且在网内发生故障时，网络中的路由机制会使分组自动地选择一条新的路由避开故障点，不会造成通信中断。（4）分组多路通信：由于每个分组都包含有控制信息，所以分组型终端可以同时与多个用户终端进行通信，可把同一信息发送到不同用户。（5）计费与传输距离无关：网络计费按时长、信息量计费，与传输距离无关。适合非实时性，而通信量不大的用户。,3.5.4 高速交换传输技术的发展，带宽已不再是网络的瓶颈。技术的进步使得原本分组交换的优势和电路交换的缺陷在当今已不再有意义，而且随着应用领域的扩大，原本处于优势的分组交换技术也暴露出越来越多的问题，而有些问题若使用电路交换技术则很容易解决。光交换技术的发展，更是为我们开辟了一个新的天地。电路交换技术很少用于数据业务网络，主要是因为其资源利用率低。分组交换技术通过统计复用方式，提高了资源利用效率；而且当出现线路故障时，分组交换技术可通过重新选路重传，提高了可靠性。,但是现状是：许多线路资源由于缺少交换能力而未被使用，使用的线路资源利用率往往不到10%，路由器平均一年的当机时间不到5s，发生故障的概率很小。因此资源利用率和可靠性对于当今选择交换技术没有意义。另一方面，分组交换是面向非连接的，对于一些实时性业务有着先天的缺陷，虽然有资源预留等一系列缓解之道，但并不足以解决根本问题。因此这些业务的 QoS问题较为复杂。而电路交换技术是面向连接的，很适用于实时业务，其QoS问题要简单得多。同时，与分组交换技术相比，电路交换技术实现简单，,价格低廉，易于用硬