数据通信原理课程设计--数据通信网的设计

数据通信原理课程设计--数据通信网的设计《数据通信原理》课程设计数据通信网的设计——分组交换网姓名学号学院专业班级数据通信网的设计——分组交换网专业：姓名：指导老师：摘要本文简要介绍了一个完整的数据通信系统的设计过程，它包括数据通信的基本组成和各个通信模块构成的总体完整数据通信系统框图，并简要介绍了各个模块的基本功能。该设计接入了分组交换网络，并着重介绍了该网络的组成、各部分功能、通信协议等，最后对其所用硬件设备、软件技术PCM复用技术和信道编码循环码做简要介绍。关键词数据通信系，通信协议，信道编码绪论纵观历史，人类社会的进步总是与信息的传递息息相关，从原始社会的结绳记事、仓颉造字到古代的狼烟示警、飞鸽传书再到现代的电报传真、视频通话，人类所追求的就是信息的传递。我们把这种信息的传递称之为通信。随着通信技术的逐步提高，通信手段的逐渐增多，人与人的距离在逐渐拉近，人们的生活逐渐被改变。当下，随着社会的不断进步和计算机技术的飞速发展，人们在通信过程中对数据业务的需求在日益增长，数据通信已经成为人们生活和工作所必需的通信手段。随着人们对信息的需求和依赖越来越大，以及计算机和Internet的出现和发展，数据通信也得到了快速发展。数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，有有线数据通信与无线数据通信之分。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。数据通信是通过数据通信网来完成的。数据通信网是一个有分布在各地的数据终端设备、数据交换设备和数据链路构成的网络。其功能就是在网络协议的支持下，实现数据终端之间的数据传输和交换。数据通信网从网络拓扑结构来看分为网状网、星状网、树状网和环状网；从从传输技术来看分为分组交换网、帧中继网及ATM网。本文主要通过网络组成、结构、通信协议等方面对分组交换网进行论述。1.设计背景通过这次课程设计，了解传输网的构成及特点，熟悉数据通信的的基本知识，把《数据通信原理》这门课程所学的基本知识应用到实践当中，提高动手能力,在思维方面，让我们明白平时自己所学的知识有哪些不足之处.设计一个完整的数据通信系统，包括各个通信模块构成的总体完整数据通信系统框图、各模块的设备参数、网络结构、通信协议、软件技术的基本原理和硬件相应的设备参数。2．数据通信网设计在了解数据通信网以后，本次课程设计准备结合所学知识，以学校实际情况为设计背景，试图设计一个完整的基于分组交换网的数据通信系统。2.1数据通信系统框图及各模块功能图1数据通信系统框图图1为一个完整的基于分组交换网的数据通信系统结构示意图，其中各模块的功能如下：2.1.1用户用户，即用户终端，也就是信源，是通信发起者。本设计中信源为PC机或电话机2.1.2分组分组，是为主机发送数据报分配一个唯一的数据报标识符。表示数据分组的顺序。去分组则完成与之相反的工作。2.1.3信源编码信源编码的作用一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩：作用二是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。其过程就是将模拟信号通过抽样、量化、编码转化为数字信号。图2PCM编码原理框图抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率（fs），就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制（PAM）信号，如下图对模拟正弦信号的抽样所示。对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。这一过程称为量化。量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“+”、“－”号为前缀，来区分样值的正、负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。2.1.4加密加密是为了通信的安全性，在传输之前进行一种数据保密处理。伪装明文的操作称为加密，加密时所使用的变换规则称为加密算法。2.1.5信道编码信源编码的目的是差错控制编码，降低误码率，提高通信的可靠性。差错控制的核心是抗干扰编码，或差错控制编码，简称纠错编码，也叫信道编码。信道编码,是针对信道对传输信号的损伤而设置的一个功能。信道是通信系统中传输信号的重要组成部件，信道的损伤造成数字通信系统接收机输出误码率增加。基本思想是在发送端被传送的信息序列的基础上，按照一定的规则加入若干监督码元后进行传送，这些码元与原来的信息序列之间存在某种确定关系。在接收端，校验信息码元与监督码元之间既定的约束关系，如该关系遭到破环，则接收端可以发现传输中的错误，乃至纠正错误。信道译码完成相反的工作。本设计中用CRC循环冗余校验码进行差错控制。循环冗余校验码（CRC）的基本原理是：在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码又叫（N，K）码。对于一个给定的（N，K）码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。校验码的具体生成过程为：假设发送信息用信息多项式C(X)表示，将C(x)左移R位，则可表示成C(x)*2的R次方，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。通过C(x)*2的R次方除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。接收端解码的的要求：检错和纠错。由于一码组多项式A（x）都应被生成多项式g(x)去去除。当传输发生错误时，接受码组与发送码组相同，即R(x)=A(x),故接受码组多项式R（x）必定能被g(x)整除；若码组在传输过程中发生错误，则R（x）≠A（x）,R（x）被g(x)除时可能除不尽而有余项，则有()'()'()()()RxrxQxgxgx（5-1）因此接收端以余项是否为零来判别妈祖中有无错码。2.1.6数字调制为了使数字信号适合信道的传输而进行的处理的调制技术。本设计中用的是2PSK调制技术。用数字基带信号去控制载波的相位变化，使之载波的初相代表基带数字信号，初相相同时表示0，反相时表示1。这样当码元周期为载波周期的整数倍时，未调载波初相为零，可直接用个吗元载波初相代表数字信号。如码元载波的初相为零代表0码，码元载波初相为代表1码。绝对码调相波形如图3所示。2PSK绝对码an1011001图3绝对调相波形2PSK调制原理及其方法：ts(t)cos(t)2cPSKs（6-1）)nT-g(ta(t)bns（6-2）2PSK调制方框图如图4所示。×S（t）S2PSK(t)载波双极性不归零图42PSK调制原理框图数字解调完成相反的工作。接调技术为相干载波解调。2.1.7复用技术复用技术是为了使多路用户信号能在一条中继线上传输。本次设计采用的是统计时分复用，在后面将有详细介绍。解复用完成相反的工作。本设计中用的为异步时分复用技术。2.1.8抽样判决是将接收到的数字信号还原成0，1代码。2.1.9发滤波器数字信号的频率范围在理论上是无限的，发滤波器将数字信号的频率范围限制在某一个允许的范围，以减小占用的通信信道的频带。2.2分组交换网2.2.1分组交换网概述分组交换数据网络(PSDN)技术起源于20世纪60年代末，我国公用分组交换数据网骨干网于1993年9月正式开通业务分组交换是为适应计算机通信而发展起来的一种先进通信手段，它以CCITTX.25建议为基础，可以满足不同速率、不同型号终端与终端、终端与计算机、计算机与计算机间以及局域网间的通信，实现数据库资源共享。分组交换网是数据通信的基础网，利用其网络平台可以开发各种增值业务，如：电子信箱、电子数据交换、可视图文、传真存储转发、数据库检索。分组交换网的突出优点是可以在一条电路上同时开放多条虚电路，为多个用户同时使用，网络具有动态路由功能和先进的误码纠错功能，网络性能最佳。中国公用分组交换数据网是中国电信经营的全国性分组交换数据网，网络已直接覆盖到全部地市和绝大部分县城，通过电话网可以覆盖到电话网通达的所有城市，用户可就近以专线或电话拨号方式入网，使用分组交换业务。分组交换的基本思想：把用户要传送的信息分成若干个小的数据块即分组，分组长度较短有统一的格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制和选路的有关信息，各分组以“存储-转发”的方式在网内传输。分组交换网通常有两级，根据业务流量、流向和地区情况设立一级和二级交换中心。一级交换中心可采用转接交换机，一般设在大、中城市，他们之间相互连接构成的网络通常称为骨干网，骨干网采用网状或不完全网状的分布结构二级交换中心可采用本地交换机，一般设在中、小城市从一级交换中心到二级交换中心之间一般采用星型结构，必要时也可采用不完全网状结构。图5交换网分层结构2.2.2分组交换网的基本结构及各模块功能国际出入局国家骨干网一级交换中心二级交换中心省内分组网用户终端分组集中器PADX.3X.28X.29X.25X.75NPT字符终端PS—分组交换机；NMC—网络管理中心；PAD—分组拆装设备分组终端PTX.25端口分组终端PTPCEPSPSPSPSPS其他分组网……NPT…NMC图6分组交换网基本结构分组交换数据网是由分组交换机、网路管理中心、远程集中器、分组装拆设备以及传输设备等组成。分组交换机（PS）:根据分组交换机在网络中的地位，分为转接交换机和本地交换机两种。转接交换机容量大，线路端口数多，具有路由选择功能，主要用于交换机之间连接。本地交换机容量小，只有局部交换功能，不具备路由选择功能。本地交换机可以接至数据终端，也可以接至转接交换机，但只可以与一个转接交换机相连，欲望内其他数据终端互通式必须经过相应的转接交换机。分组交换机的主要功能：提供网络两项基本业务。交换虚电路和永久虚电路，实现分组在两种虚电路上的传送，完成信息交换任务。实现X.25和X.27建议的各项功能。如果交换机需要直接接非分组型终端，或经电话网接终端，则交换机还应有X.3，X.28,X.29，X.32等建议功能。在转接交换机中应有路由选择功能，以便于在网中选择一条最佳路由。能进行流量控制，防止网络阻塞，是不同速率的终端能互相通信。完成局部的维护、运行管理、故障报告与诊断、计费及一些网络的统计等功能。用户终端（DTE）：用户终端有两种：分组型终端和非分组型终端。分组型终端（如计算机或智能终端）发送和接收的均是规格化的分组，可以按照X.25建议等直接与分组交换网相连。而非分组型终端（如字符型终端）产生的数据不是分组，而是一连串字符（字节）。非分组型终端不能直接接入分组交换网。而是要通过分组拆装设备（PAD）才能接入分组交换网。网路管理中心(NMC):网路管理中心与分组交换机共同协作保证网路正常运行。其主要功能有：收集全网的信息。收集的信息主要有交换机或线路的故障信息，检测规程差错、网络拥塞、等网络状况信息，通信时长与通信量多少