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数据通信原理

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第2章数据通信原理
2.1 通信系统的基本组成
通信三要素:
信源:信息的发送者(人、机器等)
信宿:信息的接收者(人、机器等)
载体:传送信息的媒体(信道);信源信宿载体(信道)噪声源
2.2 信道信息可以单向传输的途径,(包括传输媒体和中继通信设施)
◆有线信道:明线,电缆,光纤等、能量集中
◆无线信道:自由空间,红外,微波等、能量发散
◆模拟信道:支持模拟信号传输:电话线,双绞线等信号的衰减,长距离的信号传输,需安装放大器
◆数字信道:支持数字信号传输(光纤等)
变换器: 将信源发出的信息变换成适合在信道上
传输的信号:数字信号-模拟信号的转换
反变换器:将信道上的信号还原成信宿能够接收的信息信道带宽与信道容量
信道带宽: 信道可以不失真地传输信号的频率范围
信道容量: 信道在单位时间内可以传输的最大信号量
数据传输速率(bps):信道在单位时间内可以传输的最大比特数
信道容量和信道带宽成正比:带宽越大,容量越大
局域网带宽
广域网差错率误码率由于噪声的影响和信道带宽的限制,信号可能发生失真
差错率误码率:传输比特总数与其中出错比特数的比值Pe = 出错比特数传输比特总数
例: 传输10000比特、有2比特出错,差错率越高表示信道的质量越差信道的差错率与信号的传输速率和传输距离成正比
2.3 变换器反变换器调制解调与编码解码模拟传输系统(电话网,X.25分组交换网等)数字传输系统(宽带ISDN等)
调制解调: 利用模拟信道支持数据信息传输的技术
调制:将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波(称为载波)信号,(数字>模拟)
解调:将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息.
(模拟>数字)
调制解调器:具有调制解调功能的通信设备.电话网主机PC机
调制方法:
调幅:(幅度调制或移幅键控法ASK):将不同的数据信息(0和1)调制成不同幅度但相同频率的载波信号;数字信息数据帧调幅
调频:(频率调制或移频键控法FSK):将不同的数据信息(0和1)调制幅度相同、但不同频率的载波信号;
调频
调相:(相位调制或移相键控法PSK):利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值,此时的幅度和频率均不发生变化.调相调制速率(波特率)波特率(信道速率),指调制设备每秒可调制的符号个数,即信道上每秒传输的符号个数.(baud)
数据传输速率: 信道在单位时间内可以传输的最大比特数数据传输速率波特率当每个符号仅对应于两个数值时,波特率和数据传输速率相等;
二相调制:两种相位变化表示0,1,表示1位(1比特)
四相调制:四种相位变化表示比特)
八相调制:八种相位变化表示比特)数据传输速率=波特率×log2N (N-调制的线路状态数)数据信息调制
01 图2-3 幅度和频率的组合调制(2倍速)
45. 图2-4 相位-幅度组合调制(4倍速)
●
二相调制:两种相位变化表示0,1,N=2,表示1比特
四相调制:四种相位变化表示N=4,表示2比特
八相调制:八种相位变化表示N=8,表示3比特在图相位幅度组合调制中、调制相位分别为并分别在处采用两种不同的幅度值.相位-幅度的16种组合代表了16个码元值,每个码元可携带4个二进制位的数据信息,因此可以得到4倍波特率的信道数据传输速率.
调制解调器的选择和应用
1)性能:速率,功能等
2)用途:使用的场合3)符合相关标准4)符合当地有关部门的入网规定
注意:Modem需成对使用,所有通信双方的Modem一定要匹配一台主呼,另一台被呼用户方一般为主呼PC机1ISP服务器PC机2主呼被呼编码解码(COding and DECoding)实现模拟信息与数字信号之间的转换生产控制,用数字信道传输模拟信息等
编码:将模拟信息转换为数字信号的过程
解码:将数字信号还原为模拟信息的逆过程电话线数字网光纤ModemCodec数字模拟数字模拟数字脉码调制技术(PCM)
采样:通过某种频率的取样脉冲将模拟信息的值取出、变连续的模拟信息为离散信号.
量化:量化的目的是确定采样出的模拟信号的数值. 通过规定一定的量化级,对取样的离散值进行取整量化,得到离散信号的具体数值.
编码:将量化后的值编码成一定位数的二进制值.通过调制解调、编码解码技术,可以保证计算机之间以数字信号的方式进行通信a) 信号的量化b) 采样信号幅度的量化图2-5 脉码调制(PCM)的原理
数字信号的表示:二进制数字(0,1)对应两个电平
单极性脉冲: 无电压(或者无电流)0, 恒定正电压(或者有电流)1
双极性脉冲: 数字信号0或者1, 相同幅度的正电压或者负电压数字信号的发送和接收
发送: 发送设备根据自身的时钟分频形成指定频率(发送频率)的数据波(脉冲序列),并发往线路
接收: 接收端设备则根据自身的时钟形成指定频率(接收频率)的采样脉冲,对信道上的数据波进行采样,并通过设置阈值电平识别数据波对应的值
2.4 传输编码
字符编码:利用0和1比特的特定组合来表示字符.BCD码、EBCDIC码、IA5码、ASC∏码(美国信息交换标准码)
图形字符:数字,字母、运算符号,语句符号等
控制字符:传输控制,格式控制,信息分隔字符等
传输控制字符:用于控制信息的传输SOH(标题开始STX(正文开始TX(正文结束EOT( 传输结束NQ(询问ACK(确认NAK(否认DLE(数据转义SYN(同步
格式控制字符:控制打印和显示设备的信息格式和定位BS(退格LF(换行CR(回车
信息分隔字符:用于分隔信息US(单元分隔、1F),RS(记录分隔、1E),GS(组分隔、1D),FS(文卷分隔、1C).通信编码利用特定的电平信号来表示0,1比特值,并通过计算机或者其它通信设备的输入输出端口传输.a) RS232 编码方案(1) RS-232编码: 利用不同的电平表示不同的二进制值,正电平(15v)表示数字信号0负电平(-15v)表示数字信号1PC机的RS232串行通信端口(2) 不归0交替编码(NRZI): 根据相邻比特的电平变化状况确定. 比特间隔发生电平变化表示1比特间隔不发生电平变化表示0b) NRZI 编码方案发送脉冲接收取样脉冲图2-7 收发设备的误差积累
特点:编码中不含同步信息, 发送接收设备的时钟略有差异时,可能造成误差积累,造成取样脉冲的偏移,出现差错(3) 曼彻斯特编码一个比特时间一分为二比特时间内发生低电平到高电平的变化表示1,高电平到低电平的变化表示0(4) 差分曼彻斯特编码比特时间中部发生电平变化,表示的值依赖于前一比特的最终电平状态.
当前比特的前半部分电平不同于前一比特的最终电平状态(即位间电平发生变化),表示0当前比特的前半部分电平相同于前一比特的最终电平状态(即位间电平不发生变化),表示1
特点:编码中含有同步信息(每个比特中部的电平跃变信号)接收方可以根据该同步信息及时调整接收脉冲的产生,可以支持较大数据块的传输要求发送接收设备支持较高频率的发收脉冲曼码差分曼码
并行传输: 字符编码的各个比特同时传输
特点: 一个比特时间内可传输一个字符, 传输速度快、每个比特传输要求一个单独的信道支持、通信成本高, 远距离传输时,可靠性较低.
信道串行传输将组成字符的各个比特串行地发往线路
特点:传输速度低,一次一个比特;通信成本较低,只需一个信道
2.5 传输方式
同步传输:以多个字符或者多个比特组合成的数据块为单位进行传输,利用独特的同步模式来限定数据块,达到同步接收的目的
发送:同步符号(起始字符)数据块同步符号(结束字符)
接收:遇到同步符号,开始接收数据,直到结束符号为止.
同步符号:标识数据块的开始和结束
可能问题:假同步现象数据块中含有与同步符号相同的内容
解决方法:增加匹配同步符号的难度SYN,SYN,G,H, 传输方向异步传输
特点: 字符内部的各个比特采用固定的时间模式,每个字符独立传输, 字符之间间隔任意,用独特的起始位和终止位来限定每个字符.传输效率较低.起终始止位位线路空闲起始位一个字符下一字符同步技术
目的: 保证接收方在时间上与发送方取得同步,以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据.
位同步: 使接收方可以正确地接收各个比特
自同步法:接收方直接从数据波中获取同步信号(曼码).
外同步法:发送方在发数据前、先向接收方发一串同步时钟序列,接收方根据这一同步时序锁定接收频率.
(异步传输的起始终止位)
同步技术:
字符同步: 使接收方可以正确地识别数据群利用同步传输时的同步字符(SYN)接收方在识别到独特的同步字符或同步模式后,才开始真正的数据接收.
接入X.25分组交换网:同步端口
接入电话网: 异步端口
2.6 传输形式
单工传输:任意时刻只允许向一个方向进行信息传输,
半双工传输: 可以交替改变方向的信息传输, 但在任一特定时刻,信息只能向一个方向传输,
全双工传输: 任意时刻信息都可进行双向的信息传输.
2.7 传输差错处理
目的:保证信息传输的正确性传输过程中的噪声导致差错是不可避免的缺乏差错处理能力的通信系统是不可用的系统
2.7.1 反馈重传法(ARQ)
方法:
(1) 发送方发送具有检测错误能力的代码(称为检错码)、(2) 接收方根据代码的编码规则,验证接收到的数据代码、并将结果反馈给发送方(正确接收接收有错)
(3) 发送方可根据反馈的结果决定是否执行重传动作, 如果接收方未正确接收,则重传.
(4) 在规定的时间内、若未能收到反馈结果(称为超时), 则发送方可以认为传输出现差错,进而执行重传动作. (超时重传)停-等协议发送一块数据后, 就停止发送动作,开始计时. 等待接收方的反馈结果,仅当收到正确的接收确认之后,才继续发送后继块数据如果接到否定确认,或者计时器超时,重新传输本数据块.收发双方以半双工方式进行工作,
特点:控制简单, 易于实现,但工作效率较低滑动窗口协议(1) 发送方一次连续发送多块数据(称为窗口尺寸)、(2) 接收方对每块数据进行差错分析, 如果发现错误,立即反馈发送方、(3) 接收方可对接收到的多个正确的数据快进行一次性确认(4) 发送方根据反馈的结果,重发指定的数据块, 或重发指定数据块及其之后的所有数据块,
特点:效率高,控制复杂,全双工方式发送方接收方发(1)Ack发(2)发(3)NAK重发(3)超时发(4)等停协议重发(2)发(5)NAK2发(8)发(6)发(7)假设窗口=4等待窗口协议
2.8 常用检错码
用途:接收方检测信息在传输过程中是否出现差错.
结构:检错码=信息字段校验字段
特点:校验字段的取值和信息字段密切相关;校验字段越长,编码的检错能力越强、编码解码设施越复杂,附加的冗余信息在整个编码中所占的比例越大,传输的有效成分越低.
传输顺序:整体传输,信息字段在前、校验字段在后信息字段校验字段P位Q位
传输效率:P(PQ)奇偶校验码(1) 水平奇偶校验码校验字段占一位、也称校验位、常用于字符校验;校验位的取值应使整个码字(包括校验位)中为1的位数为奇(偶)数.传输时,形成的校验位附加在字符之后传输,可检一位错.
异步传输方式中采用偶校验、编码效率: Q(Q1)同步传输方式中采用奇校验. (信息字段占Q位)
例: 信息字段奇校验码偶校验码(2) 垂直奇偶校验码将被传输的信息进行分组(如按字符分组), 分组中的相同位进行奇偶校验、可检一位错.
编码效率为: PQP(Q1) (假设信息分组占Q行P列)
例如:4行7列信息组的垂直奇偶校验码.信息组垂直奇校验字符0101101垂直偶校验字符奇校验)
(3) 水平垂直奇偶校验码水平垂直奇偶校验码对信息同时进行水平,垂直校验;只能采用偶校验
例:4行7列信息组的水平垂直偶校验码.信息组校验位奇若被传的信息分组占Q行P列, 编码效率为QP(P1)(Q1)可用于纠正一位错现象当约定采用水平垂直奇偶校验码来传输ASCII字符集(低位先传)时,若收到的序列传输是否正确能否根据该序列指出实际传输的字符ASCII码(71位)
验字段:
4 纠错解码(低位先传)Study循环校验码(CRC)
原理:任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为0和1取值的多项式一一对应.例x6 x4 x2x1信息字段为K位、校验字段为R位、码字长度为N(N=KR)位m(x)为K次信息多项式,r(x)为R次校验多项式,
CRC的关键:g(x)生成多项式:生成校验码
例如:信息字段代码为对应 x31为生成多项式g(x)的代码为: 11001
CRC生成方法:x4 的最高次方为4)
校验字段形成:(二进制除)取余数
得:1010传输字段
校验:接收方使用相同的生成码进行校验.接收字段生成码(二进制除),除尽(正确),否则(错)Binary Division可检测出的差错所有的下列差错都不能被一个适当选择的P(x)所整除,因此能被检测出:任意单比特错任意双比特错, 当P(x) 至少有3个1时任意奇数个错, 当P(x) 包含因式(x1)时任意突发错,当突发长度小于P(x)长度时, 即小于或等于FCS (CRC)之时大多数较长的突发错
常用的CRC生成多项式g(x)为 R=16, IBM专用 R=16, CCITT专用R=32, LAN中常用
2.9 传输控制规程
目的: 协调通信双方的动作,保证数据传输的时序和正确性.
规程: 通信双方在交换格式和时序方面的约定.
异步传输控制规程: 利用起始终止位界定传输的内容、实现以字符为单位的传输;
同步传输控制规程: 利用同步符号界定传输的内容、实现多字符或多位组成的数据块的传输;
2.9.1 面向字符型的传输控制规程支持字符数据的传输二进制同步通信规程(BSC)
(1)BSC 控制方法
三个阶段:
建立链路: 建立链路指建立通信双方的收发关系
数据传输: 在链路建立的基础上,传输数据
拆除链路: 释放通信双方已建的关系
名词:
主叫方: 主动要求建立链路的一方、
被叫方: 同意主叫方请求,与主叫方建链的一方、
发送方: 发送数据的一方、
接收方: 接收数据的一方.
通信双方交换的信息序列类型:
正文信息: 通信双方正常交换的数据(双方均可发送);
正向控制序列:主叫方发给被叫方的控制信息序列;
反向控制序列:被叫方发给主叫方的控制信息序列.控制字符采用ASCII中的10个特殊的字符(控制字符等
字符的转义:在控制字符之前增加一个转义字符(DLE),形成控制序列.
DEL SOH,DEL STX,DEL ACK,DEL NAK等
字符填充法:数据中若出现转义字符,再增加一个DEL,避免二义性.
例如: DEL DEL SOH发送序列DLE STX DLE ETX传输序列DLE STXADLE DLEBSTXCDLE DLE STX DLE ETX(其中DLE为填充的字符)接收序列数据块格式(省略了DLE字符)
基本格式,包括标题和正文两部分,格式如下:SYN SYN SOH 标题STX 正文ETX 校验码SYN SYN无标题格式,当省略标题时的数据块格式如下:SYN SYN STX 正文ETX 校验码SYN SYN
成组格式(多段正文):SYN SYN SOH 标题STX 正文组1 ETB 校验码SYN SYNSYN SYN STX 正文组n ETX 校验码SYN SYN
校验码:(1)水平垂直奇偶校验(2)当采用循环校验时,g(x)=x↑16x↑12x↑51,校验内容包括标题,直至ETB或者ETX控制序列和控制协议
确认(ACK): SYN SYN 01 ACK
否认(NAK): SYN SYN NAK
询问(ENQ): SYN SYN 站地址ENQ
拆链(EOT): SYN SYN EOT
建立收发关系:主叫站被叫站ENQ.被叫地址━→←━NAK (未准备好接收)←━0.ACK (收发关系建立)
数据传输:主叫方被叫方正文1 ━→正文2 ━→正文3 ━→正文3 ━→超时(传输错误,正文3被丢弃) 超时(ACK丢失) ←━1.ACK正文3 ━→(重发) 正文3 ━→(重发)(重收,丢弃)
. ←━ENQ (被叫站要发数据)←━正文1
释放收发关系:
任一方: EOT ━→仅需要很少的缓存容量,规程简单,易于实现;半双工停-等协议,超时重发技术,传输效率较低;数据块和控制序列格式不统一、易引起二义性;控制序列的差错校验能力仅依赖于控制字符本身的奇偶校验、可靠性较低;
仅支持字符型数据传输.
2.9.2 面向比特型的传输控制规程支持任意二进制数据的传输.
常用的标准:IBM的同步数据链路控制规程(IBM SDLC)ISO的高级数据链路控制规程(ISO HDLC)CCITT 的平衡型链路访问规程(CCITT X25 LAP-B)
约定:
帧: 通信双方交换的最小单位;是由同步符号封装起来的位串.
链路:通信双方正在使用的信道;
站(站点):参与通信的对象;
主站(Primary Station):控制整个链路的工作的站;
次站(Secondary Station):受主站控制,只能发出响应的站;
组合站(Combined Station):兼有主次站功能的站.
主站和次站相辅相成;站与站通过链路联接,形成了通信系统.两种链路结构由组成系统的站点类型区分
非平衡结构:由一个主站和一个或多个次站组成,支持点-点、点-多点操作;
平衡结构:由两个组合站组成,适用于点-点操作;主站次站命令0响应0组合站命令响应a) 非平衡结构(存在控制关系)b)平衡结构(不存在控制关系)三种数据传输模式
正常响应模式(NRM):主站具有选择,轮询次站的能力、并可向次站发送命令或数据;次站只有在主站询问时才能作为响应传输数据;
异步响应模式(ARM):主站具有初始链路,差错校正和逻辑拆链功能;次站可以主动传输数据;
异步平衡模式(ABM):任一组合站均可控制链路,主动传送数据.一般帧结构规程定义的重点内容之一8n×880~N 168(位)FACInfo FCS F起始标志地址字段控制字段信息校验码结束标志F(同步符号帧之间的填充字符,或帧间隔符号0比特插入法避免帧中出现同步符号
A(地址字段,8n位):b0=0表示后续字节仍属地址字段.正常响应模式(NRM)和异步响应模式(ARM): 次站地址
异步平衡模式(ABM): 对方的地址
C(控制字段,8位): 用于区分帧的类型位)信息帧(I)0Ns PF Nr监控帧(S)10 Type PF Nr无编号帧(U)11 M1 PF M2信息帧(I帧)用于传输用户数据Ns(发送帧序号)说明本帧对应的帧序号(采用模8计数)每发一帧,Ns模8计数一次;
Nr(待收帧序号):希望接收对方帧的序号(采用模8计数),Nr隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收;PF(ProbeFinal-查询终止指示符)主站P=1,询问次站是否有数据发;如果次站有数据待发,开始发送信息帧(I);次站可以连续发送多帧,并在最后一个I帧中、置F=1,示意次站数据传输完毕;如果次站无数据待发,直接以S帧(F=1)进行响应、示意本次站无数据可发.
其它传输模式(ARM和ABM):
P=1:要求对方做出响应、(建链时)对方需立即进行响应、并在响应中置F=1.(同意建链)PF总是一一对应的,在接到F=1的帧之前、不允许再发P=1的帧.
S(监控帧):用于表示接收状态、四种类型的监控帧.Type=00, 接收准备就绪(RR),准备接收编号为Nr的帧;
Type=10, 未准备就绪(RNR),告诉对方已经收妥Nr以前的所有帧,但希望对方暂缓发送Nr帧;
Type=01, 拒绝接收(REJ),告诉对方已经收妥Nr以前的所有帧,但编号为Nr的帧有差错,希望对方重发编号为Nr及其以后的所有帧;
Type=11, 选择接收(SREJ),类似REJ监控帧,但希望对方仅仅重发第Nr帧.
U(无编号帧):链路控制帧,不含序号M1,M2表示帧类型主站置本次链路为异步响应模式;
主站置本次链路为正常响应模式;
某一复合站置本次链路为异步平衡模式;
请求释放(拆除)本次链路;
次站对主站命令的确认,类似BSC中的ACK;
次站对主站命令的否认,类似BSC中的NAK;
SABM请求建链UA 同意建链,确认CMDR不同意建链,否认DISC请求拆链UA 同意拆链,确认
Info(信息字段,任意位数):通信双方希望交换的数据信息(任意位串);仅I帧(信息帧)具有该字段;为便于实现,常约定最大长度,如128字节.
FCS(校验字段,16位):对A(地址字段),C(控制字段),Info(信息字段)实施循环冗余校验(CRC)的结果;
g(x) = x16 x12 x51(HDLC和X25 LAP-B使用)g(x) = x16 x15 x21(SDLC中使用)地址字段,控制字段和校验字段是每个帧都必须具有的字段,帧的最小长度应大于或者等于32位.窗口机制提高传输效率
目的:解决停等协议导致的链路资源浪费;
方法:容许在未收到应答的情况下,连续发送多个帧;
传输窗口:通信双方同意在同一条链路上连续使用的信息帧序号
窗口尺寸:通信双方协商同意的在同一条链路上可连续发送且未被认可的信息帧个数;
HDLC 窗口尺寸确定为7,即任一方可以最多连续发送7帧无需对方的确认.
在信息帧中用Nr,Ns来表示当前窗口的情况
捎带应答:允许在反向传输的信息帧中附带确认信息(利用Nr)
超时重发:超时表示传输故障,准备重发所有未被确认的帧.
2.10 多路复用与集中传输
通信的质和量两方面的要求:
质:要求通信系统可以保证传输信息的可靠性,采用的方法主要为差错处理;
量:主要要求通信系统可以充分地利用昂贵的通信线路,尽可能地支持较多的用户传输较多的信息;多路复用和集中传输技术主要解决如何充分利用通信信道的问题.
2.10.1 多路复用
目的:使得多路信号共用一个信道,
方法:多路信号组合在一条物理信道上传输,充分利用信道容量.
原理: 当物理信道的可用带宽超过单个原始信号的带宽时,将物理信道的总带宽分割成若干个和被传输的单个信号带宽相同或者略为宽一点的子信道,并利用每个子信道传输一路信号.
关键点: 区分(识别)复用的多路信号.
(1) 频分多路复用(FDM)
对整个物理信道的可用带宽进行分割,并利用载波调制技术, 实现原始信号的频谱迁移,使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内、实现频谱上的不重叠,从而共用一个信道.
频分多路复用主要用于模拟信道的复用(铜线,微波线路)频段信号A信号B信号C信号D频分多路复用器频分多路复用器频分多路复用频普迁移时分多路复用器时DCBADCBA帧1帧2时分多路复用时分多路复用(TDM)
原理:当物理信道可支持的比特传输速率超过单个原始信号要求的数据传输速率时,可以将该物理信道划分成若干时间片,并将各个时间片轮流地分配给多路信号,使得它们在时间上不重叠.
时分多路复用主要用于数字信道的复用
实用系统:使用时分多路复用技术来支持语音信号的传输语音的采样速率8000Hz(一次125微秒)
北美的T1系统:24路语音信号复用,8bit路,
一个周期:24×8=192bit 1(同步位)、125微秒周期,传输速率:193125微秒=1.544Mbps
欧洲的E1系统:32路,8bit路,125微秒周期
传输速率: 32×8125微秒=2.048Mbps1路2路3路4路22路23路24路同步位T1系统
2.048Mbps传输线路ch115个话路同步帧传送信令时分复用帧E1系统TDM技术可以使得更多路信号复用到速率更高的信道上
2.10.2 集中传输(对多路复用技术的进一步提高和改进)
多路复用的特点:各个子信道(频分多路复用中的子频段,时分多路复用中的时间片,波分多路复用中的波长) 被静态地分配给多路信号传输, 接收方可以直接通过识别固定子频段,时间片或者波长来完成
不足之处:信道的利用率不够高,信号的传输往往是间断的, 在某个时刻,子信道会出现空闲状态(无数据)4路TT7路T2
集中传输: 动态按需分配子信道.
问题:区分哪个子信道的数据,增加地址标识;可能瞬时输入大于输出能力、增加缓存;
处理方法: 集中器临时保存端口输入的信息,并等待空闲的子信道.
a ) TDM 传输b ) 集中传输时分多路复用和集中传输的比较↓ABCD
2.11.1 数据交换由于距离,成本等因素,通信双方无法直接进行点到点的连接,因此需要中间设备.
结点:用于数据交换的中间设备,
站点:发送和接收数据的终端设备.
中间结点(交换设备):不关心被传输的数据内容、仅提供数据交换的功能, 将数据从一个端口交换到另一端口,继而传输到另一台中间结点、直至目的地.
整个数据传输的过程被称为数据交换过程.
数据交换方式:线路交换,报文交换和分组交换.
2.11.1 线路交换(电路交换)交换设备执行线路级的交换,无缓存能力;
类电话系统,含三阶段: 建立线路,占用线路并进行数据传输,释放线路.
建立线路: 发起方站点向接收方站点发送请求,该请求将通过中间结点传输至终点;如果中间结点有空闲的输出端口(物理线路),接受请求,分配线路,将请求传给下一中间结点直至终点.
线路一旦被分配、在未释放前、将不能被其它站点所使用,即使线路上并没有数据传输.
数据传输:物理线路建立后,站点之间进行数据传输.
释放线路:站点之间的数据传输完毕,执行释放线路的动作.可以由任一站点发起,释放线路请求通过途径的中间结点送往对方、释放线路资源.线路被释放之后,进入空闲状态、可由其它站点通信所用.
线路交换的特点:独占性,线路的利用率较低,也容易引起建链时的拥塞.实时性好,数据传输的延迟小;(一旦建链,独占线路资源)线路交换不提供任何缓存装置,数据透明传输;收发站点自行解决速率匹配问题.(交换机设备比较简单)
2.11.2 报文交换存储-转发报文交换中间结点由具有存储能力的计算机承担、用户信息可以暂时保存在中间结点上,报文交换无需同时占用整个物理线路;
目的地地址附加在报文上,整个报文传递并暂存于中间结点、根据地址确定输出端口和线路,排队等待线路空闲时再转发给下一结点、直至终点.
特点:存储- 等待空闲- 转发.不独占线路,多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路,无线路建立的过程,提高了线路的利用率;支持多点传输(一个报文传输给多个用户);(报文中增加地址字段,中间结点根据地址字段进行复制和转发)中间结点可进行数据格式的转换,方便接收站点的收取,增加差错检测功能,避免出错数据的无谓传输等
不足之处:
1.由于存储-转发和排队,增加了数据传输的延迟,
2.报文只能暂存在磁盘上,磁盘读取占用了额外的时间;
3.报文长度未作规定,增加存储管理的难度;
3.任何报文都必须排队等待:不同长度的报文要求不同长度的处理和传输时间,即使非常短小的报文(例如:交互式通信中的会话信息)也排队,造成传输时间的不公平;
4. 报文越长,差错重传概率增加,降低效率;
5.报文交换难以支持实时通信和交互式通信的要求.
2.11.3 分组交换结合线路交换和报文交换两者的优点、使其性能达到最优类似报文交换,只是它规定了交换设备处理和传输的数据长度(称之为分组),将长报文分成若干个小分组进行传输.不同站点的数据分组可以交织在同一线路上传输.提高了线路的利用率,公平对待小分组.
固定分组的长度,使得系统可以采用高速缓存技术来暂存分组,提高了转发的速度;
分组交换实现的关键:分组长度的选择,分组越小,冗余量(分组中的控制信息等)在整个分组中所占的比例越大,最终将影响用户数据传输的效率;
分组越大,数据传输出错的概率也越大,增加重传的次数,也影响用户数据传输的效率.
分组长度取决于支持传输的线路质量.
X.25分组交换网: 分组长度定义为131字节,(包括128字节的用户数据和3字节的控制信息)
以太网中: 分组长度定义为1500字节左右(较好的线路质量和较高的传输速率,分组的长度可以略有增加).
报文交换分组交换的效率比较示意图ABCABCABCAB C报文交换分组交换报文重传分组重传
2.11.4 线路交换和分组交换的比较
主要区别:
1.分配通信资源(主要是线路)的方式,
线路交换:静态地事先分配线路,造成线路资源的浪费、并导致接续时的困难
分组交换:动态地(按需)分配线路,提高了线路的利用率; 使用内存来暂存分组,可能出现因内存资源耗尽(拥塞),中间结点不得不丢弃接到的分组.
2.用户的灵活性
线路交换:信息传输是全透明的,用户可以自行定义传输信息的内容、速率,体积,格式等、因此可以同时传输语音,数据,图像等;
分组交换:信息传输则是半透明的,用户必须按照分组设备的要求使用基本的参数.
3.分组装拆:线路交换无需分组装拆功能;
分组交换:站点执行分组装拆动作(报文-分组-报文);结点可能执行分组动作(大分组拆小);
4.收费:线路交换网络的收费仅限于通信的距离和使用的时间分组交换网络的收费则考虑传输的字节(或者分组)数和连接的时间.
目前几乎所有的网络都采用了分组交换技术,限于传输媒体的质量和某些人为的因素,导致分组的体积有区别.
2.12 数据报和虚电路
分组交换采用了两种方法进行分组流的管理:数据报和虚电路.数据报又称为面向无连接的数据传输,工作过程类似于报文交换.各个分组独立传输,被传输的分组称为数据报;
通信双方无需事先建立联系(无连接);数据报的前部增加地址信息的字段,网络中的结点、根据地址信息和一定的路由规则,独立地选择输出端口,暂存和排队数据报,并在传输媒体空闲时,发往相邻结点、直至最终站点.
abcdefe abfca de df ccebfbacfdebac当一对站点之间需要传输多个数据报时,由于每个数据报均被独立地传输和路由,因此在网络中可能会走不同的路径,具有不同的时间延迟.按序发送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点.站点必须具有存储和重新排序的能力.
2.12.2 虚电路(Virtual Circuit)虚电路又被称为面向连接的数据传输,工作过程类似于线路交换,但电路是虚拟的.物理媒体被复用为多个子信道(称为逻辑信道LC), 子信道的串接形成虚电路(VC),利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输.
虚电路进行数据传输的过程:
虚电路建立:发送方发送含有地址信息的特定的控制信息块(如:呼叫分组),该信息块途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道(LC)使用状况,分配LC,并建立输入和输出LC映射表,所有中间结点分配的LC的串接形成虚电路(VC).
站点发送的所有分组均沿着相同的VC传输,分组的发收顺序完全相同;分组中只带逻辑信道号,而不带地址.
虚电路释放:
数据传输完毕,采用特定的控制信息块(如:拆除分组),释放该虚电路.通信的双方都可发起释放虚电路的动作.
两种类型的虚电路永久虚电路PVC和呼叫虚电路SVC.永久虚电路指在两个站点之间事先建立固定的链接,占用固定的逻辑信道,类似于存在一条专用电路,任何时候,站点之间都可以进行通信.
呼叫虚电路则根据需要、动态建立和释放虚电路.
注意:由于虚电路的建立和释放需要占用一定的时间,因此虚电路方式并不适合站点之间具有频繁的,短小数据交换的场合(交互式通信).
2.12.3 数据报和虚电路的比较
数据报:
1.传输无需连接建立和释放的过程;
2.每个数据报中需带地址信息(占用空间);
3.用户的连续数据块会无序地到达目的地;接受站点处理复杂(排序).
4.当使用网状拓扑组建网络时,任一中间结点或者线路的故障不会影响数据报的传输(可以选择不同的路径),可靠性较高.
5.数据报较适合站点之间少量数据的传输.
虚电路:
1.具有虚电路(连接)建立和释放的过程;
2.数据块中仅含少量的地址信息(LC号),用户的连续数据块沿着相同的路径,按序到达目的地;接受站点处理方便.
3.如果虚电路中的某个结点或者线路出现故障,将导致虚电路传输失效.
4.虚电路方式较适合站点之间大批量的数据传输.
第二章思考题:
1,在数据通信中.为什么要引入调制,解调的概念常用的调制方法有哪几种
2,什么是并行传输,串行传输,同步传输,异步传输
3,计算机通信为什么要进行差错处理常用的差错处理方法有哪几种常用的检错码有哪些、其原理是什么
4,在BSC通信控制规程和HDLC通信控制规程中、如何处理数据字段中可能出现的控制字符和同步字符
5,假设要传送ASCII字符E,发送顺序从字符的低位至高位、后跟校验位.
(1)采用奇校验、试给出发往线路的RS232通信编码、画出编码图.
(2)采用CRC校验.其生成多项式为g(x)=X4X3X,试画出发往线路的曼切斯特编码.
6,给出半双工停-等协议的发送方接受方的工作流程,(要考虑超时重发.假设发送数据是从高层传来的.)
7,给出全双工窗口协议的工作流程(发送接受同时考虑)
8,试写出BSC协议的工作流程.
9,什么是多路复用和集中传输
10,电路交换,分组交换的特点分别有哪些;数据报,虚电路的原理是什么

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