数据通信技术基础

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1、,*,第2章 数据通信技术基础,主要学习内容,,：,,数据通信的基本概念,,数据通信方式,,数据通信传输介质,,了解数据编码技术和多路复用技术,,数据交换技术,,1,,2.1 数据通信的基本概念,1、信息与编码,,,信息,可以是数字、文字、语言、图形和图像等各种形式，是人们要通过通信系统传递的内容。,,,编码,就是用二进制代码来表示信息中的每一个字符。,,,2、数据,,编码后的信息就是,数据,。,,2,,2.1 数据通信的基本概念,3、信号,,,数据的传输表现形式称为信号。,,,从信号的实现形式上划分为模拟信号和数字信号两种形式。,,模拟信号是用幅度连续变化的电磁波来表示信息的信号。,模

2、拟传输就是在通信介质上传递模拟信号。根据模拟信号的不同频率，可在有线介质和无线介质上传输。,,,数字信号是一种不连续（离散）的信号。,通常是一串电压脉冲序列序号。如某一电压值代表二进制数“,1”,，另一脉冲电压值代表二进制数“,0”,。在通信介质上传输数字信号称数字传输。,,3,,2.1 数据通信的基本概念,4、信道,,在数据通信系统中，,信道是传输信号的通道,。,,,逻辑上,，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的,“介质”,。一般来说，一条通信线路至少包含两条信道，一条用于,发送的信道,和一条用于,接收的信道,。,,信道可分为适合传送模拟信号的,模拟信道,和适合传送数字信号的,数字信

3、道,。,,4,,2.1 数据通信的基本概念,5、通信系统基本模型,信道,发送设备,发送机,接收机,接收设备,是发出信息的源，其作用是把信息转换成原始信号，是产生数据的设备。,是指传输信号的通道，是连接信源和信宿的传输线路，信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。,从传输系统接收信号并将其转换成信宿设备能够处理的形式。主要进行解调、译码、解码等，用来恢复原始信号。,从接收器上取得传入数据的设备，将复原的原始信号转换成相应的消息。,通信系统的作用是传递信息。无论模拟通信系统还是数字通信系统均包含5个基本组件：,发送设备、发送机、信道、接收机和接收设备,。,是将信源和信道匹配，将信源产生的

4、信号变换成适合信道传输的信号，并进行发送。,,5,,2.1 数据通信的基本概念,数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成。,数据通信系统组成,,6,,2.1 数据通信的基本概念,6、数据通信的主要技术指标,在数据通信系统中，信道占有非常重要的地位，其中,信道带宽,和,信道最大传输速率,是影响,信道质量,的两个主要因素。,,,信道带宽：,信道上传输的是电磁信号。,某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。,,信道带宽＝最大有效频率－最小有

5、效频率,信道带宽,,7,,2.1 数据通信的基本概念,数据传输速率,是指信道每秒所能传输的,二进制比特数,，记作bps（比特每秒）。常见单位：Kbps、Mbps、Gbps。它与信道带宽紧密相连的，即,信道带宽越宽，数据传输速率越高,。,信道容量：是指信道的允许的最大传输速率。,波特率：信号每秒种变化的次数。它与数据传输速率成正比关系。,,吞吐量：信道在单位时间内成功传输的信息量。如某信道在,10,分钟内成功传输了,6Mb,的数据，其吞吐量为,6*1024 / (10*60)≈10Kbps,。,,8,,误码率,误码率指在二进制码元数据传输系统中被传错的概率。,,Pe=Ne/N,,N为传输的二

6、进制码元总数，Ne为被传错的码元数。,,(1)是衡量系统传输可靠性和有效性的重要参数,,(2)如果不是二进制码元，必须折合成二进制来计算。,传输延迟,数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花费的时间。,2.1 数据通信的基本概念,,注：码元,是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元。,,一码元的信息量,是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一码元能携带2bit的信息,。,,9,,2.2 信号传输的基本形式,通信系统的信号传输基本形式按调制方式分类有：,,基带信号,：将数字信号,1,或,0,直接用

7、两种,不同的电压,来表示，然后送到线路上去传输。,,,频带信号,：将基带信号进行调制后形成的,频分复用模拟信号,。,(1) 基带传输,,,在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。,,,基带传输不需要调制解调器，设备花费小，适用于短距离的数据传输，如局域网。,,10,,2.2 信号传输的基本形式,(2) 频带传输,,在计算机通信远程线路中，不能直接传送基带信号，需要利用,频带传输。,,就是用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化，,也就是调制。经过调制的信号称为已调信号。,已调信号通过线路传输到接收端，然后通过解调恢复为原始基带脉冲,。,,这种频带传输不仅

8、克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率。值得注意的是，频带传输在发送端和接收端都需要调制解调器。,,11,,2.3 数据通信方式-并行与串行,（1）,串行数据传输,,,只使用一条线路，逐位地传送所有的比特。它比较便宜，用在长距离连接中也比并行传输更加可靠。因为它每次只能发送一个比特位，所以其速度比较慢。,,,,（2）,并行数据传输,,,并行传输指可以同时传输一组比特，每个比特使用单独一条线路（导线）。这些线路通常被捆扎在一条电缆里。并行传输非常普遍，特别是应用于两个短距离和设备之间。,,通信系统的通信方式按数字信号的排列顺序

9、分类有：,,12,,,同步是要接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。,,,通常可以采用,同步,传输,或,异步,传输,的传输方式,对位进行同步处理,。,,同步传输方式中发送方和接收方的时钟是,统一,的、字符与字符间的传输是,同步无间隔,的。,,异步传输方式并,不要求,发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是,异步,的。,2.3 数据通信方式-异步与同步,,13,,2.3 数据通信方式-异步与同步,1.异步式,,各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。异步式又称为,起止同步方式,。传输数据以“,字符,”为数据单元，一般由起始位（1位）、数据位（5～

10、9位，PC机7～8位）、奇偶校验位（1位）和停止位（1-2位）部分组成，两字符之间的间隔长度可以不固定。,,14,,2.3 数据通信方式-异步与同步,例如，一般不发字符时线路保持“1”状态，当发送一个字符代码时，字符前面要加一个起始信号，极性为“0”，即空号极性，预告字符的信息代码即将开始。在数据位和校验位结束后面要加一个终止符号，极性为“1”，即传号极性，表示该字符已结束。,,异步方式,实现起来简单容易,，每个字符都为该字符的位同步提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。,缺点是通信开销较大，线路效率低，,数据传输速率多在1.2kb/s以下。,,15,,2.3 数据通信方式-异步与同步,

11、2.同步式,,同步式要求不管是否传输信息代码，每个比特位必须在收发两端始终保持同步，中间没有间断时间，即为比特位同步。,,当不传送信息代码时，在线路上传送的是全1或其他特定代码，,在传输开始时用同步字符SYN（编码为0010110）使收发双方进入同步。当搜索到两个以上SYN同步字符时，接收端开始接收信息。在两个连续的报文之间，应插入两个以上的SYN同步字符。,,16,,2.3 数据通信方式-异步与同步,,同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，而是,把它们组合起来一起发送,。一般,接收端从接收的信号中提取同步信号,。,,同步传输方式,特点,是,开销少、效率高,，一般在高速传输数

12、据的系统中采用同步式。,,,缺点,是整个数据块一旦有一位错传，就必须重传整个数据块的内容。,,一般同步传输增加的比特位会使传输的比特总数增加2.5%，而异步传输是25%。随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。,,,,17,,2.3 数据通信方式-异步与同步,数据通信的同步传输方式由,字符同步,和,位同步,共同构成。,,其中，位同步的方式有两种：,,,外同步,：由通信线路设备提供同步时钟信号，该同步信号

13、与数据编码一同传输，以保证线路两端数据传输同步。,,,内同步,：在某些编码技术内含时钟信号。,,,,18,,2.3 数据通信方式-传输方向,通信系统的通信方式按消息传送的方向和时间分类，可以有以下三个基本方式分类：,,,,1．单工通信（单向通信 ）,,单工通信就是指传送的信息,始终是一个方向,，而,不进行与此相反方向,的传送。无线电广播、电视信号传播、遥测、遥控都是单工传送的例子。,,19,,2.3 数据通信方式-传输方向,2．半双工通信（双向交替通信 ）,,,半双工通信是指信息流可在两个方向上传输，,但同一时刻只限于一个方向传输,。如对讲机、收发报机就是以这种方式通信的。,,,半双工通信

14、由要频繁调换信道方向，故效率低，但可节省传输线路。,,20,,2.3 数据通信方式-传输方向,3．全双工通信（双向同时通信 ）,,全双工通信是指能,同时做双向通信,。如图所示。这种方式适用于普通电话、手机以及计算机——计算机间高速数据通信。,,全双工与半双工比较,全双工通信效率高，控制简单，但是结构较复杂，成本较高。,,21,,2.3 数据通信方式-连接方式,,1.点到点的连接方式（专线直通 ）,,2.多点的连接方式（交换网络,,）,通信系统的通信方式按连接形式分类有：,3.集中式连接方式,,22,,双绞线,内导体芯线,,绝缘,,内屏蔽,,外屏蔽,,外套,--,螺旋绞合的双导线，,≈,1

15、mm,,--每根4对、25对、1800对,,--典型连接距离100m（LAN）,,--RJ45插座、插头,,--优缺点：,,成本低,,组装密度高、节省空间,,安装容易（综合布线系统）,,平衡传输（高速率）,,抗干扰性一般,,连接距离短,2.4 传输介质,,23,,屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，价格较高,双绞线外无任何屏蔽层，价格较低,根据绞合次数，绞合度不同，常用的双绞线为3类(16Mbit/s) 和5类(155Mbit/s)两种，尤其是所谓超5类线。,2.4 传输介质,,24,,2.4 传输介质,（1）,

16、物理特性,： 采用四对双绞线且外套塑料保护套组成，以支持一种所谓的“四重线编码”技术。采用这种方法，数据被平行地传送到四对电缆的每一对上。,,（2）,传输特性,： 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。,,（3）,连通性,： 一般仅支持点对点连接，多点连接需增加相关设备，如集线器（Hub）。,,（4）,地理范围,：通信距离一般为几km到十几km。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。,,（5）,抗干扰能力,：一般，尤其是低频使用和短距离使用时较好。,,（6）,价格,： 较低。,,25,,同轴电缆,,

17、基带同轴电缆,,阻抗50,，用于数字传输,,宽带同轴电缆,,阻抗75,，用于模拟传输，主要用于有线电视网,,（CATV）。,,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,2.4 传输介质,注：当需要将计算机连接到电缆上的某一处时，同轴电缆要比用双绞线麻烦很多。通常都是利用T型分接头(又称为T型连接器）。,,26,,细同轴：,,D,=1.02cm，10Mbit/s,,每段185m、4中继、5段（925m）,,优缺点：,,价格低,,安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）,,抗干扰能力较强,,可靠性差,,粗,同轴：,,D=2.54cm，10Mbit/s,,每段500m、4中继、5段（

18、2500m）,,优缺点：价格稍高,,安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）,,抗干扰能力强,,连接距离中等,,可靠性好,,2.4 传输介质,,27,,光缆,,,光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。,一根光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其它各种传输介质的带宽。,光纤是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。,,,如：有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。,,,2.4 传输介质,,28,,2.4 传输介质,（1）,物理特性,,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率

19、。利用其“全反射”特性，实现光波在纤芯中的传播。光纤按光在其中的传输模式可分：,,★多模光纤：可以存在许多条不同入射角度的光线在一条光纤中传输。,,★单模光纤：光纤的直径减少到只有一个光的波长，则该光纤就象一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会经多次反射传播。 单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰减系数较小。,,29,,与双绞线和同轴电缆相比，光纤具有如下优点：,,容量更大，即带宽更大，传输速率更高；,,体积更小，重量更轻；,,衰减更小，转发器的间隔更远。,2.4 传输介质,（2）,连通性,：点对点。,,（3）,地理范围,：传输损耗小，中

20、继距离长，可达数十公里而不必用中继器。,,（4）,抗干扰性,：抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰；保密性好，不易被窃听或截取数据。,,（5）,价格,：比较昂贵，但价格正在逐年下降。,,30,,无线传输是指信号通过空气传输，信号不能被约束在一个物理导体内。无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括,无线电,、,微波,和,卫星通信,等。当前主要的无线接入技术的种类：,无线传输介质,2.4 传输介质,无线本地环路,(WLL),－,终端固定的无线接入,,蜂窝通信技术－发展最迅速的无线接入技术,,无绳通信－最简单经济的慢速移动无线接入手段,,卫星移动通信－广域和国际性的无线通信手段，可以作为固定公用电信

21、网的接入手段,,个人通信网－未来最理想的接入手段之一,,31,,无线通信,的网络结构,PSTN,Internet,光纤,光纤,微波,微波,微波,用户驻地设备,无线网络,中心设备,房顶,,中继器,中继器,无线节点,房顶,,无线节点,用户天线,用户终端,2.4 传输介质,,32,,2.4 传输介质,无线电波,,33,,微波通信,收发两端使用抛物面天线,,方向性强，直线传输（视距传输），,,,距离远时使用中继站,,常用频段：,2G---6G,,,用于高速数传,,受天气影响较大,2.4 传输介质,,34,,卫星通信,一个卫星可工作在多个频段，工作频,,,段一般在几,G,到几十,G,。,,,同步卫

22、星：卫星与地球保持相对静止，,,,三颗同步卫星即可覆盖全球,,传输时延大，,240ms---300ms,2.4 传输介质,,35,,超短波,无方向性，绕射能力强,,速率低,〈10Kbps,，,距离近，几十公里,,频率范围：,30M---1G,,,用于城市内无线组网、无线调度、遥测遥控、 蜂,,窝系统、无线寻呼、无线数传,,存在多径干扰,注：,多径干扰,是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引起，同一个信号经过不同的反向路径到达同一个接收点，但各反向路径的衰减和时延都不相同，使得最后得到的合成信号失真很大。,2.4 传输介质,,36,,2.5 数据编码技术,问题的提出 ：,,数

23、字信号为什么要采用编码传输呢？,,,二个理由：,,（1）,长距离数字信号传输可能存在衰减问题。,例如连续发送若干个“1”，可能因存在的衰减导致误识别成“0”； 连续发送若干个“0”，可能因干扰或累积电平漂移而误识别成“1”；,,,（2）,同步问题。,例如，当出现一长串的连1或连0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。,,,37,,2.5 数据编码技术,在网上传输的数据一般都需要进行必要的转换（编码），方可进行传输。,,计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。,数据编码方法,模拟数据编码,数字数据编码,振幅键控（ASK),移频键控（FSK

24、）,移相键控（PSK）,非归零码（NRZ）,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,,38,,2.5 数据编码技术－模拟,模拟数据编码方法,（1）问题的提出,,,现有的模拟信号传输系统（如PSTN）不能传输数字信号吗？,,关注：,,（a)发送的基带信号包含有各种的频率成分，由于现有PSTN系统的频宽有限，因而其中的一部分高频分量已落到电话通信系统所能通过的频率范围之外。,,（b）在能够通过电话线路的这部分频率成分中，各频率成分经受的衰减和时延可能会有不同。这也要产生失真。,,（c）电话线路中存在噪声和各种干扰信号，使信号失真。,,39,,,,,,,波形变换,,,,,,,,,,,波形识别,,,,,调制

25、解调器的作用,,调制,,解调器,,调制,,解调器,,（2）调制解调器（modem）简介,,所谓调制解调器就是一种基于某种载波频率来实现对数字信号（电平信号）进行转换的装置。调制解调器组成上包括了,为发送信号用的调制器,和,为接收信号用的解调器,。,,调制器的主要作用实际上就是一个,波形变换装置,，它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。,,解调器的作用就是个,波形识别器,，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。,2.5 数据编码技术－模拟,,40,,2.5 数据编码技术－模拟,（3）几种最基本的调制方法,,,既然Modem的作用是基于某种载波频率将,数字信号变换

26、成模拟波形,，那么究竟采用何种信号变换方法，来恰当的反映出二进制的“0”和“1”。,,从物理学的知识知道，反映一个频率波形的主要参量有三个，即“,振幅、频率和相位,”，因而Modem对数字信号的变换，主要是针对这三个参量实现，相对应有三种不同的调制技术（,数字信号到模拟信号的变换,,）。,（a）调幅(振幅键控ASK),,,频率和相位为常量，而振幅为变量,，通过改变载波频率的振幅来表示二进制数的0和1。例如，数字0对应于无载波输出，而数字1对应于有载波输出。,,41,,0 1 0 0 1 1 1 0 0,,基带信号,,基带信号,,,,,,,调幅

27、 振幅改变,,,,,f,1,,,f,2,,,,,调频 频率改变,,,,,,,,调相 相位改变,,,,三种调制技术的原理,,,42,,2.5 数据编码技术－模拟,（b）调频(移频键控FSK),,,振幅和相位为常量，而频率为变量,，通过使用载波频率附近的两个不同频率值来表示二进制数的0和1。例如，数字0对应于频率f,1,，而数字1对应于频率f,2,。,,（c）调相(移相键控

28、PSK),,,把,振幅,和频率为常量，而相位为变量,，通过利用载波频率初始相位移动的不同来表示二进制数的0和1。例如，数字0对应于相位0,0,，而数字1对应于180,0,。,（4）三种调制方法的比较,,调幅易于受到增益干扰的影响，实现比较容易。,,调相法抗干扰能力最强，但实现比较复杂。,,调频法介于,AM,法和,PM,法之间。,,43,,2.5 数据编码技术－数字,在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有：,不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码等。,,,不归零码(,NRZ，Non-Return to Zero),,二进制数字0、1分别用两种电平来表示。,,缺点：不具备自同步机制，传输时

29、必须使用外同步。存在直流分量。,,注：码元,是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元。,,一码元的信息量,是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一码元能携带2bit的信息,。,数字数据编码方法,,44,,2.5 数据编码技术－数字,曼彻斯特编码(,Manchester Code),,（1）编码原理,,用电压的变化表示0和1。,,将每一个码元（bit）传输时间分成两个相等的时间间隔。,,规定在每个码元的中间发生跳变，,接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种,编码也称为自同步码(Self-Synchro

30、nizing Code)。,,,位中部从,高→低,的跳变代表“0”，位中部,低→高,的跳变代表“1”。,（2）存在的问题,,它所占的频带宽度比原始的基带信号整整增加了一倍,（即信号速率是数据速率的2倍）,。,,45,,2.5 数据编码技术－数字,,差分曼彻斯特编码(Differential ～,),,（1）编码原理,,,与曼彻斯特编码一样仍然将每一个码元（bit）传输时间分成两个相等的时间间隔，所不同的是：,,若码元为1，则其前半个码元的持续电平与上一个码元的后半个码元的持续电平一样（即,无跳变代表“1”,）。,,若码元为0，则其前半个码元的持续电平与上一个码元的后半个码元的持续电平相反（即

31、,有跳变代表“0”,）。,,不论码元是0或1，,在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换,。,（2）特点：差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,,46,,数据,0 1 0 0 1 1 0 1 0,,,,NRZ,,编码,,,(a),,,“,0,”：位中部从高到低；“,1,”：位中部从低到高；,,,曼彻斯,,特编码,,,(b),,位起始时有电平变化代表“,0,”，反之代表“,1,”，位中部始终变化。,,,差分,,曼彻,,斯特,,编码,,曼彻

32、斯特编码和差分曼彻斯特编码原理图,,(c),,47,,2.5 数据编码技术－数字,模拟信号到数字信号的变换,,（,1,）问题的提出,,现存的通信网是数字信号传输系统和模拟信号传输系统并存的局面，要想在数字信号传输系统中传输模拟信号，必然存在一个如何将模拟信号量化的问题。,,（,2,）,脉码调制方法,（,Pulse Code Modulator—PCM,）,,现在的数字传输系统都是采用脉码调制,PCM,体制。,,由于历史上的原因，,PCM,有两个互不兼容的国际标准，即北美的,24,路时分多路复用,PCM (,简称为,T1),和欧洲的,30,路时分多路复用,PCM (,简称为,E1),。我国采用

33、的是欧洲的,E1,标准。,,,T1,的数据传输速率为,1.544Mbps,；,E1,为,2.048Mbps,。,,48,,2.5 数据编码技术－数字,PCM的基本原理,,要将模拟信号转变为数字信号，无一例外地需经过,采样、量化和编码,三个阶段。,,（a）采样,,那么采样的频率(周期)T是多少?,,根据采样定理，T≥2fmax，只要,采样频率不低于采样信号（电话信号）最高频率的2倍,，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来信号。,,例如：语声的能量和频谱主要分布在300Hz—3.4kHz，为了简化起见，通常采样频率就定为8kHz，相当于采样周期为125us。,,49,,2.5 数据编码技术－

34、数字,（b）量化采样后的信号,,所谓“量化”就是对每个采样点用一个恰当的数值表示。,,（c）编码,,所谓“编码”就是对每个采样点所对应的数值确定一种二进制的表示方式，以实现从模拟信号到数字信号的转换。一般而言，每个点用n位二进制数进行编码。,,如当PCM用于数字化语音系统时，它将声音分为128个量化级，每个量化级采用7位二进制编码表示，则数据传输数率应达到7*8k=56Kbps。,,50,,复用：多个信息源共享一个公共信道,,所谓“多路复用技术”就是把多个不同的信号同时在一条传输线路路上进行传输的技术。,,,为何要复用？——提高线路利用率,,适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求

35、时,,类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,MUX,信源,信宿,2.6 多路复用技术,,51,,,通信系统按复用方式分类：,,,频分复用FDM,(Frequency Division Multiplexing),,,波分复用WDM,(Wave Division Multiplexing),,,,时分复用TDM,(Time Division Multiplexing),2.6 多路复用技术,,52,,2.6 多路复用技术,频分复用（ FDM ）,,原理：将信道的,可用带宽,划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护

36、频带以防相互干扰。主要适用于,模拟信道,环境中 。如有线电视CATV。,CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,MUX,CH1,CH2,CH3,带宽复用信号,f,复用器,,53,,2.6 多路复用技术,波分复用（ WDM ）——光的频分复用,,原理：整个,波长频带,被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。如光纤通信。,,F2,F1,F3,光谱,F1,F2,F3,共享光纤的光谱,,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,,,,棱柱/衍射光栅,,54,,2.6 多路复用技术,时分复用（ TDM ）,,原理：将信道的,可用时间,分割成小的时间片，

37、每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。主要适用于,数字信道,环境中 。如移动GSM。,,A2,A1,A3,原始信号,D2,D1,D3,数字化信号,,MUX,复用后的数据流,时隙号,1,2,3,1,D3,D2,D,1,时间片1,2,时间片2,D,1,时隙,D2,复用器,,55,,什么是交换？,,,交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源。,,例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。,,为什么要采用交换技术？,,节省线路投资，提高线路利用率。,,通信系统中，交换机采用数据交换技术按照其交换形式可分为四种：,线

38、路交换、报文交换、分组交换和虚电路交换。,2.7 数据交换技术,,56,,线路交换,,,,,2.7 数据交换技术-线路交换,交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。,,过程：,建立连接,→,交换数据,→,断开连接。,在通话前通过用户拨号，由网络预先给用户分配数据交换通路。用户若呼叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路，此后双方才能互相通话。通话完毕挂机后即自动释放这条物理通路。,,,特点：,,（,a,）数据交换前必须建立起一条从发端到接收端的,物理通路,；,,（,b,）在数据交换的全部时间内用户,始终占用,端到端的固定传输信道，交换双方可随时进行数据交换，而不会存在任何延迟

39、。,,（,c,）通信子网中的结点交换设备,不能存储数据,，不能改变数据内容，,不具备差错控制能力,。,,57,,2.7 数据交换技术-线路交换,,58,,优缺点：,,建立连接的时间长；,,一旦建立连接就独占线路，通信实时性强，适用于交互式会话类通信；,,无纠错机制；,,系统效率低，不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性和间歇性的特点，真正传输数据的时间不到,10%,；,,不够灵活， 只要在通话双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接。这对十分紧急和重要通信是很不利的。,,2.7 数据交换技术-线路交换,,59,,报文交换,,整个报文(Message)作为一个整体

40、一起发送。,,,在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为,存储-转发,。,,,特点：传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。,——,称为“,无连接的,”。,,,缺点：,,报文大小不一，造成存储管理复杂。,,大报文造成存储转发的延时过长；,,出错后整个报文全部重发。,2.7 数据交换技术-报文交换,,60,,分组交换（包交换）,,将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。,,,特点,:,,数据传输前不需要建立一条端到端的通路,——,也是“,无连接的,”,;,,有强大的纠

41、错机制、流量控制和路由选择功能。,,2.7 数据交换技术-分组交换,图中表示,主机H1,向H5发送的分组，有的可以经过结点A-B-E，而另一些则可能经过结点A-C-E，或A-C-B-E。在一个网络中，还可以有多个主机同时发送数据报，同时，,主机H2,经过结点B-E与主机H6通信。,,61,,2.7 数据交换技术-分组交换,,,62,,,优点：,,对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组,——,速度快；,,转发延时小,——,适用于交互式通信；,,某个分组出错可以仅重发出错的分组,——,效率高；,,各分组可通过不同路径传输，容错性好。,2.7 数据交换技术-分组交换,结论：,,（a）主

42、机只要想发送数据就随时可发送（数据发送的,任意性,）。,,（b）每个分组独立地,选择路由,。先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。,,（c）当网络发生拥塞时，网络中的某个结点可以将一些分组丢弃。所以，,数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量,，而是一种“,尽最大努力交付,”的服务。,,63,,三种交换方式的事件顺序,报文,A,B,C,D,排队延迟,报文交换,呼叫请求,呼叫应答,数据,A,B,C,D,寻路延迟,线路交换,分组1,分组,2,分组3,A,B,C,D,分组交换,分组4,t,2.7 数据交换技术,,64,,2.7 数据交换技术,分组交换和线路交换的选择：,,★若要连续传送大

43、量的数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的线路交换较为合适。,,★分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。,,,65,,虚电路交换：,虚电路服务本质上就是有连接服务。,,,,2.7 数据交换技术-虚电路交换,（a）,虚电路建立阶段,：主机H1要先发起一个虚呼叫(Virtual Call)，即发送一个特定格式的呼叫分组到主机H5，要求进行通信，同时也寻找一条合适的路由。若主机H5同意通信，就发回响应，然后双方就可以传送数据了。这点很像电话通信，先拨号建立电路，然后再通话。,,,在图中，设虚电路连接寻找到的路由是A→B→E

44、。这样，我们就建立了一条虚电路：H1→A→B→E→H5，记为VCl。,,图中假定还有主机H2和主机H6通信。虚电路为VC2，经过B→E两个结点。,,,（b）,数据传输阶段,：所有分组都沿指定的虚电路传送。,,（c）,虚电路拆除阶段,： 在数据传送完毕后，还要将建立的虚电路释放掉，如VC1的释放。,,66,,2.7 数据交换技术-虚电路交换,,,67,,2.7 数据交换技术-虚电路交换,注意：由于采用了存储转发技术，所以虚电路和线路交换的连接有很大的不同。在线路交换的电话网上打电话时，两个用户在通话期间,自始至终地占用一条端到端的物理信道,。但当我们占用一条虚电路进行计算机通信时，由于采用的

45、是存储转发的分组交换，所以只是,断续地占用一段又一段的链路,，虽我们感觉到好像（但并没有真正地）占用了一条端到端的物理电路。,,,结论,：,,（a）虚电路建立后，就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道（收发各用一条）。所有发送的分组都按发送的前后顺序进入管道，然后按照,先进先出的原则,沿着管道传送到目的站主机，即分组到达目的站的顺序与发送时的顺序一致。显然，因此虚电路对通信的,服务质量,QoS(Quality of Service),有比较好的保证。,,68,,2.7 数据交换技术-虚电路交换,（b）由于在建立虚电路时，有关的交换结点预先,保留了一定数量的缓冲区，,因而分组一般不会因网络出现拥塞而丢失。,,,数据报服务和虚电路服务的比较,,,统计表明，计算机网络上传送的报文长度，在很多的情况下是很短的。在这种情况下，用,数据报既迅速又经济,。若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太,浪费网络资源,了。,,下表归纳了虚电路服务与数据报服务的主要区别。,,69,,2.7 数据交换技术-虚电路交换,,,70,,