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1、第2章数据通信第1页，共80页，编辑于2022年，星期一本讲主要内容n2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念n2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 n2.3 2.3 数据传输方式数据传输方式n2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n2.5 2.5 数据交换技术数据交换技术2第2页，共80页，编辑于2022年，星期一2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念n数据：数据：信息的载体信息的载体（话音、数值、文本、图形、图像等）（话音、数值、文本、图形、图像等）n模拟数据（模拟数据（analog dataanalog data）：连续函数）：连续函数n数字数据（数字数据（dig
2、ital datadigital data）：计算机二进制数）：计算机二进制数n信号：信号：n数据是通过信号（数据是通过信号（signalsignal）进行传输的，）进行传输的，信号是数据传输的载体信号是数据传输的载体，是数据，是数据的物理表现形式的物理表现形式。（电磁波表现形式）。（电磁波表现形式）n调制调制:把数字信号转换为模拟信号的过程。把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调解调:把模拟信号转换为数字信号的过程。把模拟信号转换为数字信号的过程。一、数据、信号和信道一、数据、信号和信道3第3页，共80页，编辑于2022年，星期一4第4页，共80页，编辑于2022年，星期一n信道分类信道分类
3、 1 1、一般情况下：、一般情况下：物理信道物理信道 逻辑信道逻辑信道 2 2、传输信号：、传输信号：模拟信道模拟信道 数字信道数字信道 2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念 3 3、使用权限、使用权限 共用信道共用信道 专用信道专用信道 4 4、传输介质、传输介质 有线信道有线信道 无线信道无线信道n信道：信道：n信道（信道（channelchannel）是指以传输介质为基础的信号传）是指以传输介质为基础的信号传输的通道。输的通道。5第5页，共80页，编辑于2022年，星期一1.模拟信道模拟信道：传输模拟信号的信道；：传输模拟信号的信道；数字信道数字信道：传输数字信号的信道：传输
4、数字信号的信道 2.模拟通信模拟通信：用模拟信号传输数据的通信：用模拟信号传输数据的通信 数字通信数字通信：用数字信号传输数据的通信：用数字信号传输数据的通信 3.两种通信的四种情况两种通信的四种情况：a.模拟数据的模拟通信模拟数据的模拟通信 b.模拟数据的数字通信模拟数据的数字通信 c.数字数据的模拟通信数字数据的模拟通信 d.数字信号的数字通信数字信号的数字通信 2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念6第6页，共80页，编辑于2022年，星期一模拟数据模拟信号放大器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器2.12.1数据通信的基本概念数据通
5、信的基本概念7第7页，共80页，编辑于2022年，星期一2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念二、数据通信的模型二、数据通信的模型 接收端接收端 发送端发送端 信信 源源变换器变换器信信 道道(传输传输介质介质)信信 宿宿反变反变换器换器噪声源噪声源8第8页，共80页，编辑于2022年，星期一传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文Data Communications systematic 源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2.12.1数据通信的基本概念数据通信的
6、基本概念9第9页，共80页，编辑于2022年，星期一2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念1 1、数据通信的特点、数据通信的特点n数据通信对数据传输的可靠性要求很高。n数据通信的数据传输速率要求较高，且接续和传输的响应较快。2 2、数据通信的过程、数据通信的过程n第一阶段：建立通信线路；n第二阶段：建立数据传输链路；n第三阶段：信源传送数据及相关的控制信息；10第10页，共80页，编辑于2022年，星期一2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念n第四阶段：信源与信宿确认通信结束。n第五阶段：通知网络设备通信过程结束。3 3、数据通信系统的模型、数据通信系统的模型 数据数据输入
7、输入输出输出设备设备传输传输控制控制器器通信通信控制控制器器计算计算机系机系统统数据数据电路电路终端终端设备设备通信通信信道信道数据数据电路电路终端终端设备设备数据电路数据电路 数据链路数据链路 DTE DTE DCE DCE 11第11页，共80页，编辑于2022年，星期一2.12.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念4 4、数据通信系统的主要性能指标、数据通信系统的主要性能指标 n有效性有效性n传输速率：传输速率：n频带利用率：频带利用率：信息频带利用率：信息频带利用率：码元频带利用率：码元频带利用率：n可靠性可靠性n可靠性用差错率来衡量：可靠性用差错率来衡量：误比特率误比特率P Pb
8、b ：误码元率误码元率PsPs ：12第12页，共80页，编辑于2022年，星期一n信道容量信道容量n带宽（带宽（WW），），是指信号具有的频带宽度，单位是是指信号具有的频带宽度，单位是赫兹。赫兹。1、奈奎斯特准则、奈奎斯特准则 理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud 极限信息传输速率即可得出极限信息传输速率即可得出=2W log2M b/s-2个著名的结论个著名的结论不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)13第13页，共80页，编辑于2022年，星期一实际上实际上input signalwave pattern output signalwaveform
9、当数字信号通过实际的信道时，由于存在衰减、时延、噪声、带宽受限、当数字信号通过实际的信道时，由于存在衰减、时延、噪声、带宽受限、干扰等因数使得信号出现失真，上图为失真小的时候，底下为严重失真干扰等因数使得信号出现失真，上图为失真小的时候，底下为严重失真时的情形时的情形 attenuation、delay、noise、bandwidth to limit、interferencewith little or no distortionwith acute distortion14第14页，共80页，编辑于2022年，星期一n结论 信息传输速率越高，要求信道带宽越宽，对传输介质和设备要求就高n方法
10、 高速计算机网络中，满足高传输速率要求下，寻找合适的编码方式，使信号的波特率减小，降低对传输介质和设备的要求。-2个著名的结论个著名的结论15第15页，共80页，编辑于2022年，星期一n香农香农(Shannon formula)(Shannon formula)用信息论的理论推导出用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限极限、无无差错的差错的信息传输速率。信息传输速率。n信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C C 可表达为可表达为 C C=WW log log2 2(1+(1+S S/N N)b/s)b/s nW 为信道的带宽
11、（以为信道的带宽（以 Hz 为单位）；为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。nS/N 为信噪比为信噪比-2个著名的结论个著名的结论16第16页，共80页，编辑于2022年，星期一 S/N S/Nn人的耳朵有一种奇特的特性，它对声音的响度的感觉是人的耳朵有一种奇特的特性，它对声音的响度的感觉是与输出音频功率的对数成正比的。为了适应这个特点，与输出音频功率的对数成正比的。为了适应这个特点，信噪比的大小也是用有用信号功率（或电压）和噪声功信噪比的大小也是用有用信号功率（或电压）和噪声功率（或电压）比值的对数来
12、表示的。这样计算出来的单率（或电压）比值的对数来表示的。这样计算出来的单位称为位称为“贝尔贝尔”。如：如：S/N=10S/N=10，则，则B=log10(S/N)=1B=log10(S/N)=1贝尔贝尔n实用中因为贝尔这个单位太大，所以用它的十分之实用中因为贝尔这个单位太大，所以用它的十分之一做计算单位，称为一做计算单位，称为“分贝分贝”。1dB=0.11dB=0.1贝尔贝尔n如：信噪比为如：信噪比为25dB25dB，即，即B=log10(S/N)=2.5B=log10(S/N)=2.5贝尔贝尔n则则S/N=10 2.5S/N=10 2.5，S=10 2.5N=10N=316NS=10 2.5
13、N=10N=316N-2个著名的结论个著名的结论17第17页，共80页，编辑于2022年，星期一n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。率就越高。n只要传输速率低于信道的极限传输速率，就一定可以只要传输速率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。找到某种办法来实现无差错的传输。n若信道带宽若信道带宽 WW 或信噪比或信噪比 S S/N N 没有上限（当然实际信没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C C 也就没有上限。也就没有
14、上限。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。速率低不少。n实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。准则给出上限数值。-2个著名的结论个著名的结论18第18页，共80页，编辑于2022年，星期一奈氏准则和香农公式奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制19第
15、19页，共80页，编辑于2022年，星期一无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电-电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱20第20页，共80页，编辑于2022年，星期一n双绞线（双绞线（Twisted p
16、airTwisted pair）-导向媒体导向媒体也称双扭线，由两根互相绝缘的铜导线，用规则的方法扭绞起来也称双扭线，由两根互相绝缘的铜导线，用规则的方法扭绞起来也称双扭线，由两根互相绝缘的铜导线，用规则的方法扭绞起来也称双扭线，由两根互相绝缘的铜导线，用规则的方法扭绞起来构成构成构成构成Twisted-pair cable100Hz5MHz21第21页，共80页，编辑于2022年，星期一n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted-Pair)UTP(Unshielded Twisted-Pair)-导向媒体导向媒体22第22页，共80页，编辑于2022年，星期一n同
17、轴电缆同轴电缆 Coaxial CableCoaxial Cable同轴电缆由单股实心或多股绞合的铜质芯线（内导体）、绝缘层、网状编织同轴电缆由单股实心或多股绞合的铜质芯线（内导体）、绝缘层、网状编织的屏蔽层的屏蔽层(外导体外导体)以及保护外层所组成以及保护外层所组成Coaxial cable100KHz500MHz-导向媒体导向媒体23第23页，共80页，编辑于2022年，星期一n粗同轴电缆粗同轴电缆 50 n简称粗缆，用于传送基带数字信号。n细同轴电缆细同轴电缆 50 n简称细缆，也用于传送基带数字信号。最大传输距离不及粗缆，但因比粗缆便宜而被广泛使用。nTVTV电缆电缆 75 n用于模拟
18、传输系统，它是社区天线电视系统(CATV)中的标准传输电缆。采用的是频分复用的宽带信号。-导向媒体导向媒体24第24页，共80页，编辑于2022年，星期一n双绞线双绞线减少相邻导线间的串扰。主要缺点是存在较减少相邻导线间的串扰。主要缺点是存在较强的强的趋肤效应趋肤效应，随着传输速率的增加，导线中的电，随着传输速率的增加，导线中的电流趋向于在导体的外层流动，从而减少可使用的有流趋向于在导体的外层流动，从而减少可使用的有效截面积，增大导线的电阻和信号的衰减。效截面积，增大导线的电阻和信号的衰减。n同轴电缆同轴电缆由于外导体的作用，外来的电磁干扰被有效地由于外导体的作用，外来的电磁干扰被有效地屏蔽了
19、，因此具有很好的扰干扰特性，并且因趋肤效应屏蔽了，因此具有很好的扰干扰特性，并且因趋肤效应所引起的功率损失也大大减小。同时，与双绞线相比，所引起的功率损失也大大减小。同时，与双绞线相比，同轴电缆具有更宽的带宽和更快的传输速率。同轴电缆具有更宽的带宽和更快的传输速率。-导向媒体导向媒体25第25页，共80页，编辑于2022年，星期一n光纤光纤optical fiber折射角入射角 包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射-导向媒体导向媒体26第26页，共80页，编辑于2022年，星期一输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多
20、模光纤-导向媒体导向媒体27第27页，共80页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 n1 1、数字数据的数字信号编码、数字数据的数字信号编码n单极性不归零码（单极性不归零码（NRZNRZ码）码）n双极性不归零码双极性不归零码n单极性归零码（单极性归零码（RZRZ码）码）n双极性归零码双极性归零码n曼彻斯特（曼彻斯特（ManchesterManchester）码）码n差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码28第28页，共80页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 29第29页，共80页，编辑于2022年，星期一(1)不归零编码不归零编码 a.编码
21、原则：用高电平表示编码原则：用高电平表示“1”，用低电平表示，用低电平表示“0”b.特点：编码简单，不含同步时钟，抗干扰能力弱特点：编码简单，不含同步时钟，抗干扰能力弱（2）归零编码）归零编码编码原则：正窄脉冲表示编码原则：正窄脉冲表示“1”，负窄脉冲表示，负窄脉冲表示“0”特点：含同步时钟，占用频带宽特点：含同步时钟，占用频带宽2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 30第30页，共80页，编辑于2022年，星期一(3)曼彻斯特编码曼彻斯特编码 编码原则：每比特的编码原则：每比特的1/2周期处要发生跳变，由高电周期处要发生跳变，由高电平跳到低电平表示平跳到低电平表示“1”，由低电平跳到高电
22、平表示，由低电平跳到高电平表示“0”，(4)差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 a.编码原则：每比特的编码原则：每比特的1/2周期处要发生跳变，在每比周期处要发生跳变，在每比特的起始位置发生跳变表示特的起始位置发生跳变表示“0”，不发生跳变表示，不发生跳变表示“1”b.曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的特点：曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的特点：编码复杂，内部自含同步时钟编码复杂，内部自含同步时钟，抗干扰能力强，抗干扰能力强 2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 31第31页，共80页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 n2 2、数字数据的模拟信号编码、数字数据
23、的模拟信号编码 n幅移键控（ASK）n频移键控（FSK）n相移键控（PSK）32第32页，共80页，编辑于2022年，星期一2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 33第33页，共80页，编辑于2022年，星期一n3 3、模拟数据的数字信号编码、模拟数据的数字信号编码 n脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是模拟数据数字化的主要方法。nPCM编码过程分为采样、量化和编码三个步骤 2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 34第34页，共80页，编辑于2022年，星期一35第35页，共80页，编辑于2022年，星期一2.3 2.3 数据传输方式数据传输方式一、基带
24、传输与宽带传输一、基带传输与宽带传输 n基带传输基带传输n基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始电信号所固有的基本频带。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输。n一般不大于一般不大于2.5km2.5km，局域网，局域网n基带传输是一种最简单、最基本的数据传输方基带传输是一种最简单、最基本的数据传输方式。设备费用少，具有速率高和误码率低等优式。设备费用少，具有速率高和误码率低等优点，点，n缺点是通信信道利用率低缺点是通信信道利用率低 。36第36页，共80页，编辑于2022年，星期一n频带传输频带传输n在信道中直接传送频带信号时，称为频带传输频带传输。频带传输解决了利用已有的模拟信道传输数
25、字数据的问题。n频带传输的优点是可以实现远距离数据通信；频带传输的优点是可以实现远距离数据通信；n提高通信线路的利用率提高通信线路的利用率 n缺点是速率低，误码率高。缺点是速率低，误码率高。2.3 2.3 数据传输方式数据传输方式37第37页，共80页，编辑于2022年，星期一2.3 2.3 数据传输方式数据传输方式n宽带传输宽带传输 n将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，称为宽带传输。数字信号，称为宽带传输。n宽带网络中的多条信道，通常采用宽带网络中的多条信道，通常采用频带传输技术频带传输技术，传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模
26、拟传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统信号传输系统 。n宽带传输与基带传输相比有以下优点宽带传输与基带传输相比有以下优点 ：（1 1）能在一个信道中传输声音、图像和数据信息；）能在一个信道中传输声音、图像和数据信息；（2 2）一条宽带信道能划分为多条逻辑信道）一条宽带信道能划分为多条逻辑信道,实现多路复用实现多路复用（3 3）宽带传输比基带传输的距离要远许多。）宽带传输比基带传输的距离要远许多。38第38页，共80页，编辑于2022年，星期一2.3 2.3 数据传输方式数据传输方式二、并行传输与串行传输并行传输与串行传输 39第39页，共80页，编辑于2022年，星期一三、单
27、工单工 广播，电视 半双工半双工 对讲机 全双工全双工 电话、手机 40第40页，共80页，编辑于2022年，星期一四、异步传输与同步传输异步传输与同步传输异步传输异步传输2.3 2.3 数据传输方式数据传输方式41第41页，共80页，编辑于2022年，星期一n注意n不发数据时传输线处于高电平，检测到低电平，表示不发数据时传输线处于高电平，检测到低电平，表示开始发送数据开始发送数据n接收一个字符数据后，传输线重新处于高电平接收一个字符数据后，传输线重新处于高电平n两个字符间时间间隔随机，不同步，但一个字符时间需同步。两个字符间时间间隔随机，不同步，但一个字符时间需同步。n特点起始终止位可作时钟
28、，发错只需重发一个字符，控制简单一次一个字符，但要多2-3个字符的开销，效率低速度慢2.3 2.3 数据传输方式（异步）数据传输方式（异步）42第42页，共80页，编辑于2022年，星期一n发送方以固定的始终频率发送数据信号，数据的每一位与时钟信号一一对应接收方从接收数据中正确区分出每一位，实现同步n要求：双方时钟必须同步时钟同步的方法：外同步：时钟信道，信号线内同步：数据信号波形上提取，曼氏编码2.3 2.3 数据传输方式（同步）数据传输方式（同步）43第43页，共80页，编辑于2022年，星期一n面向字符的同步传输 数据块头部 一个或多个SYN来标记数据块开始，尾部数据块ETX表示结束n面
29、向位的同步传输 特殊字符串01111110表示开始或结束 2.3 2.3 数据传输方式（同步）数据传输方式（同步）44第44页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n概念：概念：n信道复用技术也称为信道复用技术也称为多路复用技术多路复用技术，它是把多路信号，它是把多路信号在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术，是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。技术，是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。n多路复用器（多路复用器（MultiplexerMultiplexer）在发送端将来自多个输入线）在发
30、送端将来自多个输入线路的数据组合、调制成一路复用数据，并将此数据信号送到路的数据组合、调制成一路复用数据，并将此数据信号送到高容量的数据链路；高容量的数据链路；n多路复用技术主要有多路复用技术主要有频分多路复用、时分多路复用、波分频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用多路复用和码分多路复用4 4种技术种技术。45第45页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n频分复用技术（频分复用技术（FDMFDM）n频分多路复用技术（频分多路复用技术（Frequency Division Frequency Division MultiplexingMu
31、ltiplexing，FDMFDM）是把信道的可用频）是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段，每路信号占用带分成多个互不交叠的频段，每路信号占用其中的一个频段。接收时用适当的滤波器分其中的一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同的信号，分别进行解调，恢复各路离出不同的信号，分别进行解调，恢复各路信号。信号。n主要优点是原理简单、技术成熟，系统的效主要优点是原理简单、技术成熟，系统的效率较高，可相当充分地利用信道的频带。率较高，可相当充分地利用信道的频带。n缺点是各路信号之间容易产生串扰。缺点是各路信号之间容易产生串扰。46第46页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技
32、术信道复用技术n时分复用技术（时分复用技术（TDMTDM）n时分多路复用技术时分多路复用技术（Time Division Time Division MultiplexingMultiplexing，TDMTDM）是按传输信号的时间进行是按传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同时间内传送，即分割，使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔，称为时将整个传输时间分为许多时间间隔，称为时隙，每个时隙被一路信号占用。隙，每个时隙被一路信号占用。47第47页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n时分多路复用又分为时分多路复用又分为同步时分
33、复用同步时分复用（STDMSTDM）和）和异步时分复用异步时分复用（ATDMATDM）。）。n同步时分复用同步时分复用48第48页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n异步时分复用异步时分复用49第49页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n波分复用技术（波分复用技术（WDMWDM）n波分多路复用波分多路复用（Wavelength Division Wavelength Division MultiplexingMultiplexing，WDMWDM）是指光的频分复用，用是指光的频分复用，用于光纤通信中，它是指用不
34、同波长的光波来于光纤通信中，它是指用不同波长的光波来承载不同的通信子信道，多路复用信道同时承载不同的通信子信道，多路复用信道同时传输所有子信道的波长。传输所有子信道的波长。50第50页，共80页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术n码分复用技术（码分复用技术（CDMCDM）n码分复用码分复用CDM(Code Division CDM(Code Division Multiplexing)Multiplexing)是在是在码域码域上进行多路信号的上进行多路信号的组合和分离。组合和分离。n每个信道分配不同的基本地址码序列，使得每个信道分配不同的基本地址码序列，使得不同
35、信道分得的码序列彼此正交，接收机只不同信道分得的码序列彼此正交，接收机只要对其欲接收的信号的地址码进行相关检测，要对其欲接收的信号的地址码进行相关检测，即可获得信号。即可获得信号。n即多路信号调制在不同的码型上进行复用，即多路信号调制在不同的码型上进行复用，占据相同的频带和相同的时间。占据相同的频带和相同的时间。51第51页，共80页，编辑于2022年，星期一2.5 2.5 数据交换技术数据交换技术n所谓交换技术，就是在通信系统中，在通信双方之间通过中间节点建立一条物理的或逻辑的通道进行数据传输的过程。n交换又称转接，数据交换技术在交换通信网中实现数据传输时是必不可少的。52第52页，共80页
36、，编辑于2022年，星期一回顾一下电路交换的特点 n两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。53第53页，共80页，编辑于2022年，星期一更多的电话机互相连通n5 部电话机两两相连，需 10 对电线。nN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。n当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。54第54页，共80页，编辑于2022年，星期一使用交换机n当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。交换机55第55页，共80页，编辑于2022年，星期一“交换”的含义n在这里，“交换”(switching)的含义是：n转接转接把一条电话线转接
37、到另一条电话线，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。使它们连通起来。n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。56第56页，共80页，编辑于2022年，星期一电路交换的特点n电路交换必定是面向连接的。n电路交换的三个阶段：n建立连接建立连接n通信通信n释放连接释放连接57第57页，共80页，编辑于2022年，星期一报文交换n在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。n报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。58第58页，共80页，编辑于2022年
38、，星期一报文交换n存储转发方式存储转发方式 n存储转发方式是指当某一交换节点收到某一信息（报文存储转发方式是指当某一交换节点收到某一信息（报文或分组），并要求转换到另一交换节点，但输出线路或其或分组），并要求转换到另一交换节点，但输出线路或其他设施都已被占用，就先把该信息在此交换节点处存储起他设施都已被占用，就先把该信息在此交换节点处存储起来排队等待，等输出节点线路空闲时再转发至下一个节点。来排队等待，等输出节点线路空闲时再转发至下一个节点。n报文交换的过程如下：n将信息分成报文，报文长度不限且可变；将信息分成报文，报文长度不限且可变；n报文的存储转发；报文的存储转发；n进行差错控制和完成网络
39、拥塞处理、报文的优先处理等功进行差错控制和完成网络拥塞处理、报文的优先处理等功能能 59第59页，共80页，编辑于2022年，星期一报文交换n报文交换的特点：报文交换的特点：n信道利用率高信道利用率高 n接收方和发送方无需同时工作接收方和发送方无需同时工作 n可进行速率和码型的转换，实现不同类型终可进行速率和码型的转换，实现不同类型终端间的通信端间的通信 n数据传输的可靠性高数据传输的可靠性高n可实现一点多址传输可实现一点多址传输 n报文交换的缺点：报文交换的缺点：n不适用于交互式通信不适用于交互式通信 60第60页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换分组交换n分组交换网由若干个结点交
40、换机和连接这些交换机的链路组成。n圆圈表示的结点交换机是网络的核心部件。从概念上讲，一个结点交换机就是一个小型计算机。H1A分组交换网BDECH5H4H2H3结点交换机61第61页，共80页，编辑于2022年，星期一报文分组交换的原理（一）n在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输62第62页，共80页，编辑于2022年，星期一数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二）n每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”63第
41、63页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换的原理（三）n分组交换网以“分组”作为数据传输单元。n依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 364第64页，共80页，编辑于2022年，星期一分组首部的重要性n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。n分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。n用这样的存储转发方式，分组就能传送到最终目的地。65第65页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换的原理（四）n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部
42、分组 3收到的数据66第66页，共80页，编辑于2022年，星期一数 据数 据数 据分组交换的原理（五）n最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文110100011010101011010101110001001101001067第67页，共80页，编辑于2022年，星期一请注意首部的位置n接收端在发送端的左方时，首部往往画在分组的左方。n接收端在发送端的右方时，首部往往画在分组的右方。数 据首部分组接收端发送端传送方向数 据首部分组接收端发送端传送方向68第68页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换网的示意图
43、H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机69第69页，共80页，编辑于2022年，星期一注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H570第70页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换通信过程分组交换通信过程1 1n假定主机H1向主机H5发送数据。主机H1先将分组一个个地发往与它直接相连的
44、结点交换机A。此时，除链路H1-A外，网内其他通信链路并不被目前通信的双方所占用。在各分组传送之间的空闲时间，链路H1-A仍可为其他主机发送的分组使用。71第71页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换通信过程分组交换通信过程2 2n结点交换机A将主机H1发送来的分组放入缓冲区。假定从路由表中查出应将该分组送到结点交换机的端口4。于是分组就经链路A-C到达结点交换机C。当分组正在链路A-C传送时，该分组并不占用网络其他部分的资源。72第72页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换通信过程分组交换通信过程3 3n结点交换机C继续按上述方式查找路由表，假定查出应从端口3进行转发。于是分
45、组又经端口3向结点交换机转发。当分组到达结点交换机E时，就将分组交给主机H5。73第73页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换通信过程分组交换通信过程4 4n假定在某一分组的传送过程中，链路A-C的通信量太大并产生了拥塞，则结点交换机A可以将分组转发端口改为端口1于是分组就沿另一个路由到达结点交换机B。交换机 B再通过其端口3将分组转发到结点交换机E，最后将分组送到主机H5。n这里要注意，结点交换机暂时存储的是一个个短的分组，而不是整个的长报文。短分组是暂存在交换机的内存中而不是存储在磁盘中。这就保证了较高的交换速率。74第74页，共80页，编辑于2022年，星期一注意结点交换机有多个
46、端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 475第75页，共80页，编辑于2022年，星期一结点交换机结点交换机处理分组的过程是：n把收到的分组先放入把收到的分组先放入缓存（暂时存储）缓存（暂时存储）；n查找查找转发表（路由表）转发表（路由表），找出到某个目的地，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；址应从哪个端口转发；n把分组送到适当的把分组送到适当的端口端口转发出去。转发出去。76第76页，共80页，编辑于2022年，星期一主机和结点交换机的作用不同n主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。n结点交
47、换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。77第77页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换的优点n高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。n灵活 以分组为传送单位和查找路由。n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。n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。78第78页，共80页，编辑于2022年，星期一分组交换带来的问题n分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。n分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。79第79页，共80页，编辑于2022年，星期一三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放80第80页，共80页，编辑于2022年，星期一