通信子网

第三章通信子网•3.1通信基本原理•3.2计算机网互联的硬件设备•3.3网络拓扑结构与分类•3.4网络的传输介质•3.5网络互联设备产品计算机网络的两大基本功能：数据通信与数据处理。数据通信本身是一门独立的学科。3.1通信基本原理数据通信就是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。数据通信与传统电报或电话相比的特点：•实现的计算机之间或计算机与人之间的通信，需要定义严格的通信协议或标准。•数据传输的准确性和可靠性高。误码率要求小于10－8，而语音和电视系统只有10－2。•传输速率高。•通信持续时间差异较大。•数据通信具有灵活的接口功能以满足各式各样的计算机和终端间的相互通信。例如：通信速率、编码格式、同步方式和通信规程等。通信子网：传输信道：传输线，逻辑信道。交换单元：一种特殊的计算机，用于连接两个或更多条传输线。（常被称为分组交换结点、中介系统、数据开关交换、路由器等。）传输介质与信道的关系：两者是不同的。•传输介质是用来连接两个或多个网络结点的物理电路。•信道是建立在传输介质之上的包括传输信道和设备，还有逻辑信道的含义。•在同一条物理传输介质上可以建立多条通信信道。3.1.1数据通信的基本概念信息：数据的内容和解释。数据：信息的表现形式。信道：信号传输的通道。计算机终端上使用的信息一般是字母、数字和符号的组合。这些信息首先要转化为二进制代码。ASCII码：美国信息交换用标准代码成为国际通用的信息交换标准代码。信道分类按传输介质：有线信道：有形的电路作为传输介质。无线信道：以电磁波在空间传输方式传送信息的信道。按传输信号类型：模拟信道：传输模拟信号的信道。数字信道：传输数字信号的信道。按使用方式：专用信道：连接用户设别之间的固定电路，可以由用户自己架设或向电信部门租用。公共交换信道：通过交换机转换，为大量用户提供服务的信道。信道带宽：信道的发送和接受两端传输比特信号的最大速率称为信道的带宽。单位为赫兹Hz。信道容量：单位时间内信道上所传输的最大比特数。单位为每秒比特数b/s。信道带宽与信道容量之间的关系满足香浓定理。数据通信系统的基本结构数据通信的基本目的是在接受方与发送方之间交换信息。发送方输入设备和发送系统接受方接受系统和输出设备传输媒体干扰源3.1.2数据信号表示方式1.数据编码技术模拟数据编码：振幅键控ASK，移频键控FSK，移项键控PSK。数字数据编码：非归零码NRZ，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码调制：将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程。调制器解调：将接收端模拟数据信号变换成数字数据信号的过程。解调器2.模拟数据编码方法载波u(t)u(t)=Umsin(ωt+Φ)Um：振幅ω：角频率Φ：相位(1)振幅键控ASK：用载波信号的振幅表示数字信号。Umsin(ωt+Φ)数字1U(t)=0数字0实现容易，技术简单，抗干扰能力差。(2)移频键控FSK：通过改变载波信号角频率的方法表示数字信号。Umsin(ω1t+Φ0)数字1U(t)=Umsin(ω2t+Φ0)数字0实现容易，技术简单，抗干扰能力强，目前使用较多。(3)移项键控PSK：改变载波信号的相位值表示数字信号。绝对调相：用相位的绝对值表示信号Umsin(ωt+0)数字1U(t)=Umsin(ωt+π)数字0相对调相在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。简单的方法是：2比特信号交接处遇“0”载波信号相位不变，遇“1”，载波信号相位偏移π。（4）多相调制在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，采用多相调制的方法。例如用两个二进制比特表示4种组合：00，01，10，11。用4个不同的相位值去表示4组双比特码元称为4相5调制。3.数字数据编码方法宽带传输：在数据通信技术中，利用模拟通信信道，通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称为宽带传输。基带传输：利用数字通信信道直接传输数字信号的方法称为基带传输。(1)非归零码NRZ用负电平表示逻辑0，用正电平表示逻辑1。缺点：收发双方不能同步。必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步时钟信号。(2)曼彻斯特编码（目前广泛使用的一种编码）每一比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分。前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码。优点：在每一个比特的中间有一次电平的跳变，可以提取这个跳变作为收发双方的同步信号。不含直流分量。缺点：编码效率较低。(3)差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码的区别在于：每比特的中间跳变仅做同步之用。每比特的值，根据其开始边界是否发生跳变来决定。每一比特的开始处出现电平跳变表示“0”，不发生跳变表示“1”。4.脉冲编码调制PCM方法是模拟数据数字化的主要方法。由于数字信号传输失真小，误码率低，数据传输速率高，因此在网络中传输的语音、图像信息都要经过数字化处理后传送。PCM技术的典型应用是语音数字化。语音信号需要在发送端通过PCM编码器变换成数字化数据。接收方再通过PCM解码器还原成模拟信号。PCM工作原理包括：采样量化编码以一个具体的波形图来解释模拟信号数字化的过程。采样隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本。采样的频率很重要，一般f=2B或1/T=2fMAXB为通信信道带宽，T为采样周期，fMAX为信道允许通过的信号最高频率。量化将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。编码用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。量化级K与二进制位数的关系是如果有K个量化级，则二进制的位数为Log2K。PCM用于数字化语音系统，将声音分为128个量化级。采用7位二进制编码表示。3.1.3数据通信类型模拟数据，模拟信号，模拟传输。例子：收音机数字数据，数字信号，数字传输。例子：家庭上网数据成功传输的因素：信号的质量和传输媒体的性能。3.1.4数据传输方式串行通信：数据流依时间顺序，一比特接一比特的在信道上传输。存在同步问题。收发双方只需要一条传输信道，易于实现，是目前广为使用的一种传输方式。并行通信：数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。例如将构成一个字符的几个二进制比特分别通过几个并行的信道进行传输。收发双方不存在同步问题。按照信号传送方向与时间的关系，信道可以分为3种：单工半双工双工单工通信：数据信号仅沿一个方向传输。例如无线广播和电视广播。半双工通信：信号可沿两个方向传送，但同一时刻只允许单方向传送。例如警察的对讲机。全双工通信：信号可以同时沿两个方向传送。例如电话机通信。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元起止时刻和速率来接收数据。异步通信：每传送一个字符都要求在字符码前面加一个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加一个停止位，表示字符结束。适用于低速终端设备。同步通信：在发送字符之前先发送一组同步字符，使收发双方进入同步。适用于高速传输数据的系统。3.1.5数据交换方式电路交换报文交换存储交换数据报存储转发虚电路1.电路交换：为一对需要进行通信的装置之间提供一条临时的专用通道，即可是物理通道又可是逻辑通道。例如：公用电话网三个阶段：电路建立、数据传输、电路拆除。电路交换在通信双方建立电路在建好的电路上依次传输报文拆除电路AB142356电路建立通过源站点请求完成交换网中相应节点的连接过程，这个过程建立起一条由源站到目的站的传输通道。数据传输信号可以从建立的链路传送，通常为全双工传输。电路拆除完成数据传输后，由源站点或目的站点提出终止通信的请求。各节点拆除该电路的对应连接，释放占用的节点和信道资源。电路交换的特点：呼叫建立的时间长且存在呼损。提供给用户的是透明通路对通信双方要求高。适用于实时的大批量连续的数据传输。电路信道利用率低。2.报文交换（存储转发）：节点接收一个报文之后，报文暂时存放在节点的存储设备中，等输出电路空闲时，再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点，如此反复，直到报文到达目标数据终端。报文交换•发送端将要发送的信息分割成一份份报文，并将所有报文发往本地交换中心，存入交换机•交换机在线路空闲时将所有报文转发至下一交换中心•目的地交换中心负责装配收到的报文，提交给接收端设备。142356AB每一个报文由传输的数据和报头组成。报头中有源地址和目标地址。节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。特点：•源站和目标站之间不需要建立一条专用的通路。•与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延。•要求节点具备足够的报文数据存放能力。•电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效的传输数据。•数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中都进行差错控制、即检错、纠错。缺点•由于采用对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适合于交互式通信，例如电话通信。•由于每个节点都要把报文完整的接收、存储、检错、纠错、转发。产生节点延迟，对于报文的长度没有限制，报文可以很长，使报文长时间占用某两个节点之间的链路，不利于实时交互通信。3.分组交换：与报文交换的区别是传输短的、标准的报文分组。数据报传输分组交换：交换网把进网的任一分组都当作单独的小报文处理，不管它属于哪个报文的分组。报文分组交换发送端将信息分成报文发往本地交换中心，交换机将报文分成更小的报文分组，每个分组各自选择不同的路径，发往目的地交换中心，目的地交换中心将收到的报文分组组装成报文，传输给目的地设备。142356AB虚电路传输分组交换：在两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不需要发送和接收数据时清除连接。虚电路传输分组与电路交换的区别虚电路传输分组在通信的实体之间不存在真正的专用电路，而是选定特定的路径进行传输。分组所途径的所有节点都对这些分组进行存储/转发。优、缺点优点是对于数据量较大的通信传输率高，分组传输时延短，且不容易产生数据分组丢失。缺点是对网络的依赖大。分组到达终点的方法虚电路：数据报：每个数据分组独立的寻找路径，在网络终点要重新排序。对网络的适应能力强，但是时延大。4.高速交换技术为多媒体数据的传输，交换技术不断提高，如帧中继和ATM。ATM技术最大限度的发挥电路交换和分组交换技术的优点，传输语音和电视图像等。3.1.6传输介质1.传输介质类型：有线媒体：双绞线，同轴电缆，光纤。无线媒体：无线电波、微波、红外线。2.信道复用技术：目的在于共享信道资源。复用技术采用多路复用器（MUX）将来自多个输入线路的数据组合，调制成一路复用数据，并将数据信号送上高容量的数据链路。多路分配器接收复用的数据流，依照信道分离还原为多路数据，并将他们送到适当的输出电路上。把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段，每个信号占其中的一个频段。例如：无线电广播、无线电视、有线电视等。频分复用FDMA：将电路或空间的频带资源分成多个频段，将其分配给多个用户。为防止相邻的信道中的信号频率覆盖造成干扰，在相邻的频率段之间设立一定的隔离频带。时分复用TDMA：按传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同的时间内传输。将整个传输时间分为许多时间片，每个时间片被一路信号占用。数字信号一般采用时分多路复用。模拟信号一般采用频分多路复用。又分为：同步时分复用和异步时分复用同步时分复用采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定的长度连续地划分成固定的时间段，再细分为多个时隙。每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号。有可能造成时隙浪费。异步时分复用动态的按需分配时序，避免每个时间段中出现空闲时隙。只有某一路用户有数据要发送时，才把时隙分配给它。波分复用WDMA：主要用于全光纤网。将是今后计算机网络系统的主要复用技术之一。类似频分复用，划分多个波段，以频道不同区分地址，特点是独占频道而共享时间。码分复用CDMA：基于码型的分割信道。给每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，特点是频率和时间资源都重叠。主要应用于移动通信系统。3.1.7差错控制方法差错控制通过两种途径解决：•通过检错码编码来发现传输差错。•