第3章数据通信与通信网基础(2)

3.5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。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(CIRCUITSWITCHING)利用电路交换进行通信过程电路建立数据传输拆除电路特点电路建立时间延迟大线路利用率低传输实时性、透明性好适合于远程批处理信息传输和实时性要求高的场合报文(message)：站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。工作原理：“存储-转发”。发送端将一个目的地址附加在报文上发送出去；每个中间节点先接收整个报文，检查无误后暂存这个报文（存储），然后根据报文的目的地址，选择一条合适的空闲输出线路将整个报文传送给下一节点（转发）；直至目的节点。3.5.2报文交换和报文分组交换1.报文交换在报文交换方式中，当一个站点要发送数据给另一个站点时，不需要事先在两站之间建立专用通路。报文交换的特点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。报文交换的主要缺点每一个结点对报文数据的存储转发时间较长，传输一份报文的总时间并不比采用线路交换方式短，或许会更长。因此，报文交换不适于传输实时的或交互式业务，例如话音、传真飞终端与主机之间的会话业务等。事实上，报文交换只是主要应用于非计算机数据业务（如民用电报业务）的通信网中，以及公共数据网发展的初期。2.分组交换(packetswitching)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（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。高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。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。三种交换的比较3.5.3高速交换技术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异步传输模式ATM以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1.基本概念信道带宽带宽是指物理信道的频率宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差，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。数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。周期信号的FOURIER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：f0，2f0，3f0,…,分别称为一次、二次、三次谐波。所有这些频率构成S(t)的频谱。f0称为基频，f0＝1/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)称为信号的频谱(spectrum)。信号频率区间的大小，即频谱的宽度称为信号的带宽(bandwidth)。2.信道最大传输速率信道容量及NYQUIST原理问题：一个模拟信号对脉冲载波进行PCM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复原模拟信号？采样定理：设模拟信号的带宽是W，Ts是采样间隔，则当采样率fs=1/Ts=2W时，由采样数据就可以恢复原模拟信号。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原理：设信号是M值，带宽为W的信道传输的二进制数据的最大速率，即信道容量为C=2Wlog2MM=2，C=2W信道容量--最大数据传输率M最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsD=2Wlog2KD=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(3000Hz)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0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。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=Wlog2(1+S/N)例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsNyquist公式和Shannel公式的比较●D=2Wlog2K说明数据传输率D随信号编码级数增加而增加。●C=Wlog2(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误码率Pe误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，也称为“出错率”。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。[Return]3.6.3影响信道质量的其他因素3.7通信网简介3.7.1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公用分组交换网采用X.25协议，又叫X.25网X.25是一种老式的数据通信服务，应用在线路质量不可靠的模拟电话线路上，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。X.25协议是ITU－T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X.25的分组有两类，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X.25分组由分组头部和分组的数据部分组成。X.25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）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N＊64Kbps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X.25的区别：X.25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；X.25只在高层协议上透明。X.25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帧中继是一种支持HDLC规程的宽带数据业务标准，由X.25分组交换技术演变而来，与X.25相比，不再强调数据传输的可靠性，而重于数据的快速传输，最大限度地提高网络的吞吐量。帧中继是一种快速分组交换技术。帧中继省略了X.25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。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。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低的价格。采用两种关键技术：虚拟租用线路：所谓虚拟租用线路是与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”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，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。X.25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。3.7.5综合业务数字网（ISDN）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64KbpS或128KbpS速率为基础的端到端的透明传输。ISDN的速率和接口标准：基本速率接口，即2B十D，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，即30B＋D或23B＋D，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