計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-第2章物理層

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

;沈陽(yáng)理工大學(xué)

信息科學(xué)與工程學(xué)院

課件制作人：沈紅

2物理層

2?1物理層的基本概念

是為在物理媒體上傳輸原始數(shù)據(jù)的比特流而設(shè)立的。盡可能屏

蔽傳輸媒體的差異，透明傳送和接收位流

2.1.1物理層功能

物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即:

機(jī)械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排

列、固定和鎖定裝置等等。

電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意

義。

過(guò)程特性指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

課件制作人：沈紅

2.2數(shù)據(jù)通信基本概念

數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE連接

小意圖

課件制作人：沈紅

2.2.1基本概念

-信息:是人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物存在方式或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

的某種認(rèn)識(shí)。

-數(shù)據(jù):是一種承載信息的實(shí)體。數(shù)據(jù)可分為模擬

數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種形式。

信號(hào):是消息或者說(shuō)是信息的攜帶者，即數(shù)據(jù)的

電氣的或電磁的表現(xiàn)。是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式。

信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種形式。

課件制作人：沈紅

2信號(hào)分類(lèi)

信號(hào)根據(jù)載體的不同，可以是電、磁、聲、光、熱等

的各種信號(hào)。

模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)

課件制作人：沈紅

3、模擬傳輸與數(shù)字傳輸

（1）模擬傳輸

課件制作人：沈紅

（2）數(shù)字傳輸

受噪聲影響的數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)發(fā)后波形圖

課件制作人：沈紅

4基帶與寬帶

-.基帶傳輸：二進(jìn)制數(shù)字序列最方便的電信號(hào)

形式是數(shù)字脈沖信號(hào)。把數(shù)字脈沖信號(hào)的固有頻

帶稱(chēng)為基帶。數(shù)字脈沖信號(hào)稱(chēng)為基帶信號(hào)。在數(shù)

字通信信道上，直接傳輸基帶信號(hào)，稱(chēng)為基帶傳

輸（編碼）。

.頻帶傳輸：為了利用電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)

之間的數(shù)字信號(hào)傳輸，必須將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模

擬信號(hào)。

課件制作人：沈紅

■寬帶傳輸

所謂寬帶，就是指比音頻帶寬還要寬，簡(jiǎn)單地

說(shuō)就是包括了大部分電磁波頻譜的頻帶。

a.寬帶系統(tǒng)能同時(shí)接入幾個(gè)信道,因而能夠比

基帶系統(tǒng)傳輸更多的數(shù)據(jù)。寬帶傳輸能將有線電

視帶入家庭。有線電視能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量至少是

一個(gè)典型基帶系統(tǒng)（如Ethernet）傳輸數(shù)據(jù)量

的2.5倍。

課件制作人：沈紅

b.在寬帶系統(tǒng)中，信號(hào)僅僅只能進(jìn)行單向傳

輸。因此，寬帶電纜必須為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提

供獨(dú)立的電纜。由于大部分有線電視電纜只提供

一條電線，若不做任何修改，它將不能用于把數(shù)

據(jù)從屋中向外傳輸。

C.由于使用一些額外的硬件，寬帶傳輸通常比

基帶傳輸昂貴得多。

d.另一方面，寬帶系統(tǒng)能夠比基帶系統(tǒng)跨越更

長(zhǎng)的距離。

課件制作人：沈紅

Nota在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域,一些術(shù)語(yǔ)根據(jù)上下文常有

多種意思。寬帶即是這樣的術(shù)語(yǔ)。這里描述的寬帶

是指通過(guò)多個(gè)信道在同軸電纜上傳輸信號(hào)的傳輸系

"例如有線電視所使用的系統(tǒng)。這種定義是寬帶‘

的原始意義。'

在高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中也用到了“寬帶”，這時(shí)“寬帶”

是

指使用數(shù)字信號(hào)并且有非常高的傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)，：

例如異步傳輸模式（ATM）網(wǎng)絡(luò)。

課件制作人：沈紅

速率

比特(bit)是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)量的單位，也

是信息論中使用的信息量的單位。

Bit來(lái)源于binarydigit,意思是一個(gè)“二

進(jìn)制數(shù)字”，因此一個(gè)比特就是二進(jìn)制數(shù)

字中的一個(gè)1或0。

速率即數(shù)據(jù)率(datarate)或比特率(bit

rate)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個(gè)性能指

標(biāo)。速率的單位是b/s,或kb/s,Mb/s,

Gb/s等

速率往往是指額定速率或標(biāo)稱(chēng)速率O

課件制作人：沈紅

2?2數(shù)據(jù)通信基本概念

2.2.2信道特性

1信道帶寬

信道的帶寬是指信道頻率響應(yīng)曲線上幅度是其頻帶中心處

幅度值的1/J2倍的兩個(gè)頻率之間的寬度。

如圖所示，帶寬其中fl是信道能通過(guò)的信號(hào)的最低

頻率，f2是信道能通過(guò)的信號(hào)的最高頻率

課件制作人：沈紅

例如，在傳統(tǒng)的通信線路上傳送的電話信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬是

3.1kHz，話音的主要頻率范圍從300Hz到3.4kHz。帶寬

的單位是赫（或千赫、兆赫等）

數(shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送取離散值的數(shù)字信

號(hào)。信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸?shù)臄?shù)字脈沖序

列的最高速率。

數(shù)字信道傳送數(shù)字信號(hào)的速率稱(chēng)為數(shù)據(jù)率或比特率。網(wǎng)絡(luò)

或通信鏈路上的帶寬單位可記為bit/s（更常用的帶寬單位是

千比特/每秒，即kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s）。也

稱(chēng)為吞吐量（Thoughput）

課件制作人：沈紅

數(shù)字信號(hào)流隨時(shí)間的變化

在時(shí)間軸上信號(hào)的寬度隨帶寬的增大而變窄。

1|LlS

+H-rnJp%時(shí)間

rf?范為

1Mb/s

-------------每秒[()6個(gè)比特------------------]

0.25|is

■+H-ri!p4

rf?范為"時(shí)間

4Mb/s

------------每秒4X1()6個(gè)比特----------------?

課件制作人：沈紅

2傳輸速率

傳輸速率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸信息單元的數(shù)量。它是衡量

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的重要指標(biāo)，有兩種表示方法，即數(shù)

據(jù)信號(hào)速率和碼元速率。

1)數(shù)據(jù)信號(hào)速率

指單位時(shí)向內(nèi)所傳送的二進(jìn)制代碼的有效位數(shù)，以每秒多

少比特?cái)?shù)計(jì)，單位為bit/秒，記作b/s。

計(jì)算公式為

S=l/Tlog2N

式中T：一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的時(shí)間寬度，單位為秒

(s)；

N：一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。通常，N=2，K為二進(jìn)

制信息的位數(shù)，K=log2N,

N=2時(shí)，S=l/T表示數(shù)據(jù)信號(hào)速率等于碼元脈沖的重復(fù)

頻率。

課件制作人：沈紅

2）碼元速率（調(diào)制速率）

信號(hào)調(diào)制過(guò)程中，把一個(gè)數(shù)字脈沖稱(chēng)為一個(gè)碼元，并用碼

元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)

通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。單位為波特，記作Baud。

計(jì)算公式為

B=l/T（Baud）

式中T信號(hào)碼元的寬度，單位為s。,

碼元速率也稱(chēng)信號(hào)傳輸速率、調(diào)制速率、波特率或傳碼率。

例：采用四相調(diào)制方式，即N=4,>T=833X10'6s,貝I」

6

S=l/Tlog2N=l/833x10log24=2400b/s

B=1/T=1/833X10-6=IZOOBaud

課件制作人：沈紅

3)數(shù)據(jù)信號(hào)速率與調(diào)制速率的關(guān)系

■數(shù)據(jù)信號(hào)速率S與調(diào)制速率B有如下關(guān)系：

S=Blog2N(b/s)

或B=S/log2N(Baud)

?其中N為一個(gè)脈沖信號(hào)所表示的有效狀態(tài)。在二進(jìn)制

中，脈沖只有兩種狀態(tài)?；?,即N=2,也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)

速率S與調(diào)制速率B是一致的。當(dāng)采用不同的調(diào)制方式時(shí)，N

的取值是不同的，這時(shí)即使調(diào)制速率相同，得到的數(shù)據(jù)信號(hào)

速率也是不同的，

課件制作人：沈紅

3、信道極限

信道極限表示一個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位：位/

秒(b/s),也就是信道傳輸信息的最大能力。

(1)理想的信道極限

奈奎斯特(Nyquist)無(wú)噪聲下的碼元速率極限值B與信

道帶寬H的關(guān)系為：

B=2XH(Baud)

奈奎斯特公式一無(wú)噪信道傳輸速率極限值公式如下：

C=2Hlog2V(bps)

式中H：信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差

值，單位為赫(Hz)；

V：一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)(電平分級(jí))；

例:普通電話線路帶寬約3kHz,則碼元數(shù)率極限值

B=2XH=2x3k=6k(Baud),若碼元的離散個(gè)數(shù)

V=16,則最大數(shù)據(jù)傳輸數(shù)C=2X3kXlog216=24k(b/s)

課件制作人：沈紅

(2)帶噪聲的信道極限

一主要結(jié)論是：對(duì)于任何帶寬為H、信噪比為S/用的信道:

(香農(nóng)公式)帶噪信道傳輸速率極限值公式如下：

C=Hlog2(1+S/N)(bps)

式中H：信道的帶寬,單位為Hz；

■S：信號(hào)功率；

N：噪聲功率；

S/N:信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)

分貝(dB)o

香農(nóng)公示表明：.

「①信道的帶寬越大或信道中的信噪比越大，則信息

的極限傳輸率就最高。

課件制作人：沈紅

②只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以

找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。

③若信道帶寬H或信噪比SZN沒(méi)有上限(當(dāng)然實(shí)際信道不可

能是這樣的)，則信道的極限信息傳輸速率C也就沒(méi)有上限。

④實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率

低不少。

⑤對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且

碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速

率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。

例2?3已知信噪比為30dB,帶寬為3KHz,求信道的最大數(shù)據(jù)

傳輸速率。

10lg(S/N)=30

???S/N=1030/10?1000

??

?C=3000xlog2(l+1000)?30k(b/s)

課件制作人：沈紅

4、誤碼率

表示傳輸二進(jìn)制位時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。

M（出錯(cuò)的位數(shù)）

「N（傳送的總位數(shù)）

5、信道延遲

信號(hào)從源端到達(dá)宿端所需要的時(shí)間。

時(shí)延通常由四部分組成:

發(fā)送時(shí)延。發(fā)送時(shí)延是結(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使數(shù)據(jù)塊從結(jié)點(diǎn)進(jìn)

入到傳輸媒體所需要的時(shí)間，也就是從數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)比特開(kāi)始發(fā)

送算起，到最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需的時(shí)間。發(fā)送時(shí)延又稱(chēng)為傳

輸時(shí)延，它的計(jì)算公式：

發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度（比特）-

信道帶寬（比特/秒）

課件制作人：沈紅

傳播時(shí)延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)

的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間與源端和宿端的距離有關(guān)，也與具體信

道中的信號(hào)傳播速度有關(guān)。

信號(hào)傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號(hào)在信道上的傳播速率

是完全不同的概念。

傳播時(shí)延=信號(hào)在信器罌番霹（米/秒）

處理時(shí)延交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理

所花費(fèi)的時(shí)間。

排隊(duì)時(shí)延結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延。

排隊(duì)時(shí)延的長(zhǎng)短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。

數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和

排”時(shí)桿^和-

總時(shí)延=發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延+處理時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延

課件制作人：沈紅

四種時(shí)延所產(chǎn)生的地方

從結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)

在結(jié)點(diǎn)A中產(chǎn)生

處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延

在鏈路上產(chǎn)生

在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時(shí)延傳播時(shí)延

（即發(fā)送時(shí)延）

數(shù)據(jù)

隊(duì)列鏈路

結(jié)點(diǎn)A發(fā)送器結(jié)點(diǎn)B

課件制作人：沈紅

容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤概念

對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)?

的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。

提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延。

電磁波在自由空間的傳播速率是3.0xi05km/s，

在銅線電纜中的傳播速率是Z3xl05km/s,

在光纖中的傳播速率是2.0x：L05km/so

課件制作人：沈紅

6、時(shí)延帶寬積與往返時(shí)延

■鏈路的時(shí)延帶寬積又稱(chēng)為以比特為單位

的鏈路長(zhǎng)度。

課件制作人：沈紅

往返時(shí)延RTT（Round-TripTime）是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它

可以表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始，到發(fā)送端收到來(lái)自接收端的確

認(rèn)（接收端收到數(shù)據(jù)后便立即發(fā)送確認(rèn)）,總共經(jīng)歷的時(shí)延。

往返時(shí)延帶寬積的意義：就是當(dāng)發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),在收到

對(duì)方的確認(rèn)之前，就已經(jīng)將這樣多的比特發(fā)送到鏈路上了。

（傳播）時(shí)延

-H4-j

市/.

鏈路

寬\

時(shí)延帶寬積=傳播時(shí)延x帶寬

課件制作人：沈紅

2?2數(shù)據(jù)通信基本概念

2.2.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

工通信系統(tǒng)模型

課件制作人：沈紅

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

輸入數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字比特流顯示

漢字

公用電話網(wǎng)———

PC機(jī)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)

源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)

傳輸

點(diǎn)

送

終

發(fā)

足T

口

系

統(tǒng)4

輸

源點(diǎn)攵

輸

發(fā)

工

輸

輸

士

入

號(hào)

入

削

白

出

出

白_1_

百=

口

數(shù)

信

信

數(shù)

據(jù)

息

息

據(jù)

(1)、模擬通信系統(tǒng)

(2)、數(shù)字通信系統(tǒng)

課件制作人：沈紅

數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道

有失真，但可識(shí)別

實(shí)際的信道

（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

發(fā)送信號(hào)波形*接收信號(hào)波形

失真大，無(wú)法識(shí)別

I_II_I實(shí)際的信道

IIII（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

發(fā)送信號(hào)波形?>

接收信號(hào)波形

課件制作人：沈紅

數(shù)字通信系統(tǒng)相對(duì)模擬通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

①抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累。

②便于加密處理。

③便于存儲(chǔ)、處理和交換。

④設(shè)備便于集成化、微型化。?

⑤便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。/

⑥數(shù)字通信占用信道頻帶較寬，信道利用率低。

2、數(shù)據(jù)通信方式

數(shù)據(jù)通信可以分為下列三種方式：?jiǎn)喂?Simplex)、半

雙工(Half-duplex)和全雙工(Full-duplex),

課件制作人：沈紅

工)■單工操作模式

在單工操作模式中，發(fā)送器和接收器之間只有一個(gè)單

向的傳輸信道，數(shù)據(jù)傳輸是單向的，只能從發(fā)送器傳送到

接收器。

2).半雙工操作模式

在半雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個(gè)

設(shè)備同時(shí)具有發(fā)送器和接收器功能，它們之間可以分時(shí)輪

流進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，但在某一時(shí)刻只能沿一個(gè)方向傳輸

數(shù)據(jù)。

3)?全雙工操作模式

在全雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個(gè)

通信設(shè)備同時(shí)具有發(fā)送器和接收器功能，它們之間可以同

時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

課件制作人：沈紅

通信操作模式

課件制作人：沈紅

3、數(shù)據(jù)同步方式

數(shù)據(jù)通信過(guò)程中收、發(fā)雙方必須在時(shí)間上保持同步，一方面碼元

之間要保持同步,另一方面由碼元組成的字符或數(shù)據(jù)塊之間在起止

時(shí)間上也要保持同步。實(shí)現(xiàn)字符或數(shù)據(jù)塊之間在起止時(shí)間上同步的

常用方法有異步傳輸和同步傳輸兩種。

1）異步傳輸

其原理是：每個(gè)字符都獨(dú)立傳輸，接收設(shè)備每收到一個(gè)字符的開(kāi)

始位后進(jìn)行同步。

異步傳輸方式中,一次只傳輸一個(gè)字符（由7~8位數(shù)據(jù)組成）。每

個(gè)字符用一位起始位引導(dǎo)、一位停止位結(jié)束。起始位為“0”,占一

位

時(shí)間；停止位為“1”，占1~2位的持續(xù)時(shí)間。在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，

愛(ài)

送方可發(fā)送連續(xù)的停止位（稱(chēng)空閑位）。接收方根據(jù)“1”至“0”的跳

變

來(lái)判別一個(gè)新字符的開(kāi)始,然后接收字符中的所有位。這種通信方

式聞編第宜推每個(gè)字符有2~3位的額外開(kāi)銷(xiāo)。

異步傳輸

10110010

I位起始位H-------------------8位數(shù)據(jù)-------------------------->1結(jié)束位

特點(diǎn)：

在異步傳輸方式中由于不需要發(fā)送和接收設(shè)備之間另外傳輸定時(shí)

信號(hào)，因而實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是：

■(1)一方面，由于每個(gè)字符都要加上起始位和結(jié)束位，因而傳

輸開(kāi)銷(xiāo)較大；

(2)另一方面，由于發(fā)收雙方時(shí)鐘的差異(異步)使得傳輸速

率不宜過(guò)高，因而傳輸效率低，常用于低速數(shù)據(jù)傳輸中。

2)同步傳輸

其的原理是：其信息格式是一組字符或一個(gè)二進(jìn)制組成

的數(shù)據(jù)塊。對(duì)這些數(shù)據(jù)，不需要附加起始位和停止位，而

是在一組字符或數(shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個(gè)同步字符SYN或一

個(gè)同步字節(jié)，用于接收方進(jìn)行同步檢測(cè)，從而使收發(fā)雙方

進(jìn)入同步狀態(tài)。在同步字節(jié)或字符之后，可以連續(xù)發(fā)送多

個(gè)字符或數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，再使用同步字符或字

節(jié)來(lái)標(biāo)識(shí)整個(gè)發(fā)送過(guò)程的結(jié)束。即：為使接收方能判定

數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始和結(jié)束，在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始處和結(jié)束處各

加一個(gè)幀頭和一個(gè)幀尾，加有幀頭、幀尾的數(shù)據(jù)稱(chēng)為幀

(Frame)。

課件制作人：沈紅

同步傳輸

傳送的1幀數(shù)據(jù)

幀起始?幀終止

空白字符節(jié)字?空白字符

同步字符—:字1..字符

幀內(nèi)容

課件制作人：沈紅

但是，在同步通信中，要求收發(fā)雙方之間的

時(shí)鐘嚴(yán)格同步，而使用同步字符或同步字節(jié)，

只能用于同步接收數(shù)據(jù)幀，只有保證接收端接

收的每一個(gè)比特都與發(fā)送端保持一致，接收方

才能正確的接收數(shù)據(jù)，這就要使用位同步方

法。

1）使用專(zhuān)用信道發(fā)送同步時(shí)鐘保持雙方的同步

2）編碼的方法（效率高，使用普遍）

課件制作人：沈紅

2.3數(shù)據(jù)的調(diào)制與編碼

4種編碼方式，即模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)

傳輸模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)字信號(hào)傳輸

數(shù)字信號(hào)。

模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)

話聲電話模擬模擬CODEC數(shù)字

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)

數(shù)字模擬數(shù)字?jǐn)?shù)字

Modem數(shù)字傳輸

課件制作人：沈紅

2.3.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼

有三種基本調(diào)制方式，是通過(guò)采用三種模擬信號(hào)的載

波特性(振幅、頻率和相位)之一來(lái)表示被調(diào)制的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

(1)幅移鍵控(ASK)法

ASKfAmplitudeShiftKeying)是使用載波頻率的

兩個(gè)不同振幅來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值。即載波的振幅隨基帶

數(shù)字信號(hào)而變化。

特點(diǎn)：ASK方式的編碼效率較低，抗干擾性較差，在音

頻電話線路上一般只能達(dá)到

1200b/s的傳輸速率。

課件制作人：沈紅

(2)頻移鍵控(FSK)法

FSKfFrequencyShiftKeying)是使用載波頻率附近的兩個(gè)

不同頻率來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值。即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變

化。

特點(diǎn)：FSK比ASK的編碼效率高,不易受干擾的影響，抗干擾性

較強(qiáng)，在音頻電話線路上的傳輸速率可以大于1200b/s。

(3)相移鍵控(PSK)法

PSK(PhaseShiftKeying)是使用載波信號(hào)的相位偏移來(lái)表

示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。在PSK

方式中，信號(hào)相位與前面信號(hào)序列同相位的信號(hào)表示0,信號(hào)相位

與前面信號(hào)序列反相位的信號(hào)表示1。

特點(diǎn)：PSK方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其編碼效率比FSK還要

高。在音頻線路上，傳輸速率可達(dá)9600b/s。

課件制作人：沈紅

對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法

基帶信號(hào)010011100

調(diào)幅

調(diào)頻

調(diào)相WVWWWWVWA/

課件制作人：沈紅

多相調(diào)制

PSK方式也可以用于多相的調(diào)制，例如在四相

調(diào)制中可把每個(gè)信號(hào)序列編碼為兩位。

多級(jí)調(diào)制方法

4-PSK

數(shù)據(jù)率=nx信號(hào)速率

課件制作人：沈紅

正交振幅調(diào)制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

舉例

□可供選擇的相位有12種，

而對(duì)于每一種相位有1或

2種振幅可供選擇。

口由于4bit編碼共有16種不同的

組合，因此這16個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)

點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種4bit的編碼。

□若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行

解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。

課件制作人：沈紅

2.3.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼

常用的數(shù)字信號(hào)編碼有不歸零NRZ(NonReturnto

Zero)碼、差分不歸零DNRZ(DifferentialNon

ReturntoZero)碼、曼徹斯特(Manchester)碼及差分

曼徹斯特(DifferentialManchester)碼等。

課件制作人：沈紅

(1)NRZ碼(不歸零編碼)

NRZ碼是用信號(hào)的幅度來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的，通

常用正電壓表示數(shù)據(jù)“工”，用負(fù)電壓表示數(shù)據(jù)“0”，并

且

在表示一個(gè)碼元時(shí)，電壓均無(wú)需回到零，故稱(chēng)不歸零

碼。NRZ碼的特點(diǎn)是一種全寬碼，即一位碼元占一個(gè)單

位脈沖的寬度。不能保持同步，要采用其它方法。

(2)DNRZ碼(差分不歸零編碼)

DNRZ碼是一種NRZ碼的改進(jìn)形式，它是用信號(hào)

的相位變化來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的，一個(gè)信號(hào)位的起始處

有跳變表示數(shù)據(jù)“工”，無(wú)跳變表示數(shù)據(jù)“0”。

(3)曼徹斯特碼

在曼徹斯特碼中，用一個(gè)信號(hào)碼元中間電壓跳變的

相位不同來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)“工”和“0”，它用從低到高電壓跳

變

表帝金就飛紅用從高到低電壓跳變表示10Mb/s

(4)差分曼徹斯特碼

差分曼徹斯特碼是一種曼徹斯特碼的改進(jìn)形

式，其差別在于：每個(gè)碼元的中間跳變只作為同

步時(shí)鐘信號(hào)，而數(shù)據(jù)“0”和“11”的取值是用信號(hào)

位

的起始處有無(wú)跳變來(lái)表示的：若有跳變則為“0”；

若無(wú)跳變則為“工”。令牌環(huán)(Token-Ring)網(wǎng)采用

這種差分曼徹斯特編碼。特點(diǎn)是每一位均用不同

電平的兩個(gè)半位來(lái)表示，因而始終能保持直流的

平衡。

課件制作人：沈紅

數(shù)字信號(hào)編碼:

1000100111:

(a)雙極性不歸零碼

(b)曼徹斯特碼1J1J1丁

—

(C)差分曼徹斯特碼U11J1丁1

課件制作人：沈紅

2.3.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼

常用的編碼技術(shù)是脈沖編碼調(diào)制PCM（PulseCode

Modulation）技術(shù)。

PCM原理如圖所示：在信號(hào)源端,模擬信號(hào)t）

經(jīng)過(guò)反混疊濾波器和采樣器處理后變換成脈沖調(diào)幅信號(hào)

然后送入量化器進(jìn)行均勻分層量化為八力），再經(jīng)

過(guò)編碼器將量化后的脈沖信號(hào)表示成一組二進(jìn)制碼

cm并輸出。在接收端，PCM解碼器將接收信號(hào)61（刀）

解碼成n（刀），經(jīng)過(guò)逆量化器和平滑濾波器就可建立重

建信號(hào)用（力，-&）和乃（1）之差就是量化誤差。

課件制作人：沈紅

0110011(10III110(WOID101

量化

編碼

課件制作人：沈紅

2.4數(shù)據(jù)傳輸媒體

所謂的傳輸介質(zhì)就是信號(hào)傳輸時(shí)借助的物質(zhì),

分為兩類(lèi)：有線介質(zhì)和無(wú)線介質(zhì)

2.4.1有線介質(zhì).——

包括：雙絞線、同軸電纜和光纖-

1、雙絞線

分為屏蔽雙絞線和無(wú)屏蔽雙絞線

適用于短距離傳輸

課件制作人：沈紅

無(wú)屏蔽雙絞線電纜(UnshieldedTwistedPair,UTP)由

不同顏色的(藍(lán)/橙/綠/棕)4對(duì)雙絞線組成

屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair,STP)電纜的外層由鋁箔包裹

課件制作人：沈紅

特點(diǎn)：傳輸速率快、價(jià)格便宜，安裝容易，適用于結(jié)

構(gòu)化綜合布線，使用廣泛。適合模擬和數(shù)字傳輸。

2、同軸電纜

主要應(yīng)用于有線電視網(wǎng)、電視天線饋線和局域網(wǎng)。同

軸電纜的基本結(jié)構(gòu)為：軸心為一根銅制導(dǎo)線，軸心被均勻

的絕緣層包裹，在絕緣層外邊包裹著外導(dǎo)體（通常為網(wǎng)

狀），最外邊為塑料護(hù)套。

標(biāo)注方式有兩種：

以其特性阻抗分類(lèi)可分為50Q、75Q；

按直徑分類(lèi)可分為粗纜和細(xì)纜等。

50c電纜用于傳輸數(shù)字信號(hào)，75C電纜用于傳輸電

視信號(hào)

課件制作人：沈紅

基帶

一條電纜只用于一個(gè)信道，50。，用于數(shù)字傳輸電

寬帶

一條電纜同時(shí)傳輸不同頻率的幾路模擬信號(hào)，75

用于模擬傳輸，300—450MHz,100km,需要放大器

課件制作人：沈紅

各種電纜

無(wú)屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP

聚氯乙烯絕緣層銅線聚氯乙烯屏蔽層以公=銅線

套層套層絕緣層

同軸電纜

絕緣保護(hù)套層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層

導(dǎo)體

課件制作人：沈紅

3光纖

光纖的分類(lèi)：按傳輸光波模式的分類(lèi)方法

(1)單模光纖：

纖維直徑很小傳輸頻帶很寬，傳輸容量大。輸

入設(shè)備復(fù)雜。因此只適合于大容量、長(zhǎng)距離傳

輸。

(2)多模光纖：

同波長(zhǎng)的光可以有多種模式在光纖中傳輸。傳輸

的模式比較多，容易發(fā)生色散，所以這種光纖的

傳輸頻帶較窄，傳輸容量小；設(shè)備簡(jiǎn)單，使用廣

泛。

課件制作人：沈紅

光線在光纖中的折射

包層折射角包層

纖（低折射率的媒體）

-纖芯

一（高折射率的媒體）

入射

包層

u扇f(wàn)射率的媒體）

課件制作人：沈紅

光纖的工作原理

低折射率高折射率

（包層）（纖芯）

課件制作人：沈紅

多模光纖與單模光纖

課件制作人：沈紅

單模光纖(single-modefiber)

■使用激光源

■中繼距離100公里

■內(nèi)芯直徑與光源波長(zhǎng)相近’’

直徑為4?10/zm

多模光纖(multi-modefiber)

■使用普通發(fā)光二極管作為光源

■中繼距離2公里

:■多種模式，易發(fā)生色散

,■內(nèi)芯直徑稍大」

直徑為62?5〃m

課件制作人：沈紅

單模光纖與多模光纖的比較

課件制作人：沈紅

光纖的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

■高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸率

■安全、可靠

■抗腐蝕、抗干擾性能好

■衰減小

■體積小，重量輕

缺點(diǎn).

■單向傳輸

■光纖接口價(jià)格昂貴

■工藝復(fù)雜、安裝技術(shù)復(fù)雜

課件制作人：沈紅

2.4.2無(wú)線介質(zhì)

信號(hào)通過(guò)空間傳播，我們稱(chēng)之為無(wú)線介質(zhì)。無(wú)線介質(zhì)

包括微波、激光、紅外和短波

1＞微波

微波系統(tǒng)可分為地面微波系統(tǒng)和衛(wèi)星微波系統(tǒng)。

地面微波系統(tǒng)由視野范圍內(nèi)的兩個(gè)互相對(duì)準(zhǔn)方向的拋

物面天線組成，長(zhǎng)距離通信則需要多個(gè)中繼站組成微波中

繼鏈路。

通信衛(wèi)星可看作是懸在太空中的微波中繼站。衛(wèi)星

上的轉(zhuǎn)發(fā)器把它的波束對(duì)準(zhǔn)地球上的一定區(qū)域，在此區(qū)域

中的衛(wèi)星地面站之間就可互相通信。

課件制作人：沈紅

微波

對(duì)于頻率在100MHz以上的無(wú)線電波，其能量將集中

于一點(diǎn)并沿直線傳播，這就是微波。

■.微波通信是利用無(wú)線電波在對(duì)流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行

信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在

300MHz至200GHz左右。主要使用：2至40GHz。

由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收

天線必須精確對(duì)準(zhǔn)，而且每隔一段距離就需要一個(gè)中繼

站。

中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對(duì)于

100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達(dá)到

80kBi傳人：沈紅

它具有帶寬高，容量大的特點(diǎn)。由于使用了高

頻率，因此可使用小型天線，便于安裝和移動(dòng)。

,微波信號(hào)容易受到電磁干擾，地面微波通信會(huì)

造成相互之間的干擾，大氣層中的雨雪也會(huì)大量

吸收微波信號(hào)，當(dāng)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)會(huì)使得信號(hào)衰減

以至無(wú)法接收；

課件制作人：沈紅

衛(wèi)星通信

方法：是在地球站之間利用位于約3萬(wàn)6千公里高空

的人造同步地球衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。

特點(diǎn)：是通信距離遠(yuǎn),且通信費(fèi)用與通信距離無(wú)

關(guān)。頻帶很寬，通信容量很大,信號(hào)所受到的干擾也較小,

通信比較穩(wěn)定。具有較大的傳播時(shí)延。

同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆

蓋區(qū)的跨度達(dá)1萬(wàn)8千多公里。只要在地球赤道上空的同

步軌道上,等距離地放置3顆相隔120度的衛(wèi)星，就能基

本上實(shí)現(xiàn)全球的通信。

從一個(gè)地球站經(jīng)衛(wèi)星到另一地球站的傳播時(shí)延在

250-300ms之間。一般可取為270ms。

課件制作人：沈紅

衛(wèi)星

使用微波

使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)

c波段4/6GHz

上行5.925-6.425GHz

下行口.7?4.2GHz

KU波段12/14GHz

上行14.14.5GHz

下行1L7-12.2GHz

課件制作人：沈紅

2、激光

在空間傳播的激光束可以調(diào)制成光脈沖以傳輸數(shù)據(jù)，和地面微

波一樣，可以在視距范圍內(nèi)安裝兩個(gè)彼此相對(duì)的激光發(fā)射器和接收

器進(jìn)行通信。

由于激光的頻率比微波更高，因而可獲得更高的帶寬。

激光傳輸

課件制作人：沈紅

特點(diǎn)：

頻率比微波更高，因而可獲得更高的帶寬。

激光束的方向性比微波束更好，不受電磁干擾

的影響，保密性好。

激光穿越大氣時(shí)會(huì)衰減，易受天氣的干擾。

只能在短距離通信中使用。

課件制作人：沈紅

3紅外線

紅外傳輸系統(tǒng)（圖2-24）可利用墻壁或屋頂反射紅

外線從而形成整個(gè)房間內(nèi)的廣播通信系統(tǒng)，這種系統(tǒng)

所用的紅外光發(fā)射器和接收器與光纖通信中使用的類(lèi)

似，也常見(jiàn)于電視機(jī)的遙控裝置中。

紅外傳輸

課件制作人：沈紅

4、無(wú)線電短波

無(wú)線電短波通信早已用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中了，已經(jīng)

建成的無(wú)線通信局域網(wǎng)使用了甚高頻VHF(30MHz?300

MHz)和超高頻(300MHz-3000MHz)的電視廣播頻段,

這個(gè)頻段的電磁波是以直線方式在視距范圍內(nèi)傳播的,

所以用作局部地區(qū)的通信是很適宜的。

短波通信設(shè)備比較便宜，便于移動(dòng)，沒(méi)有像

地面微波站那樣的方向性，加上中繼站可以傳

送很遠(yuǎn)的距離。

短波通信也容易受到電磁干擾和地形地貌的

影響，而且?guī)挶任⒉ㄍㄐ乓　?/p>

課件制作人：沈紅

2.5多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用技術(shù)

原因口在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳輸

媒體的帶寬或容量往往超過(guò)傳輸單一信號(hào)的需求。

目的：為了有效地利用通信線路，希望一個(gè)信道同

時(shí)傳輸多路信號(hào),這就是所謂的多路復(fù)用技術(shù)

(Multiplexing)o采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個(gè)信號(hào)組合

起來(lái)在一條物理信道上進(jìn)行傳輸，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)可大大

節(jié)省電纜的安裝和維護(hù)費(fèi)用。

課件制作人：沈紅

多路復(fù)用技術(shù)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道

的技術(shù)(見(jiàn)圖2-25),這種技術(shù)要用到兩種設(shè)備：多路復(fù)用

器(Multiplexer)和多路分配器(Demultiplexer)。多路

復(fù)用器和多路分配器統(tǒng)稱(chēng)多路器，簡(jiǎn)寫(xiě)為MUX。

多路復(fù)用

多路復(fù)用技術(shù)包括4類(lèi)，共5種，分別為：頻分復(fù)用、

同步時(shí)分復(fù)用、異步時(shí)分復(fù)用，波分多路復(fù)用，碼分多路

復(fù)用件制作人：沈紅

復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。

信道

信道

BiB2

信道

C

(a)不使用復(fù)用技術(shù)(b)使用復(fù)用技術(shù)

課件制作人：沈紅

頻分復(fù)用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個(gè)頻率不同的模

擬載波信號(hào)進(jìn)行多路傳輸，這些載波可以進(jìn)行任

何方式的調(diào)制：ASK、FSK、PSK以及它們的組合。

每一個(gè)載波信號(hào)形成了一個(gè)子信道，各個(gè)子信道

的中心頻率不相重合，子信道之間留有一定寬度

的隔離頻帶。

課件制作人：沈紅

特點(diǎn)：

用戶(hù)在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都

占用這個(gè)頻帶。

頻分復(fù)用的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源

（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送

速率）。

頻率

I頻率5|

頻率4

頻率3

頻率2

頻率1

時(shí)間

課件制作人：沈紅

時(shí)分復(fù)用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

"時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分

復(fù)用幀(TDM幀)。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)

在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。.

每一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)(其

周期就是TDM幀的長(zhǎng)度)。;

TDM信號(hào)也稱(chēng)為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。

時(shí)分復(fù)用的所有用戶(hù)是在不同的時(shí)間占用回掛

的頻帶寬度。

課件制作人：沈紅

時(shí)分多路技術(shù)可以用在寬帶系統(tǒng)中，也可以用在頻分

多路下的某個(gè)子通道上。時(shí)分多路復(fù)用按照子通道動(dòng)

態(tài)利用情況又可再分為同步時(shí)分和統(tǒng)計(jì)時(shí)分兩種

1、同步時(shí)分復(fù)用

頻率

課件制作人：沈紅

時(shí)分復(fù)用

頻率

課件制作人：沈紅

時(shí)分復(fù)用

課件制作人：沈紅

時(shí)分復(fù)用

頻率

課件制作人：沈紅

時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成

線路資源的浪費(fèi)

使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí),

由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶(hù)對(duì)

分配到的子信道的利用率一般是不高的。

用戶(hù)

時(shí)分復(fù)用

課件制作人：沈紅

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM

(StatisticTDM)(AsynchronousTDM)

用戶(hù)

課件制作人：沈紅

2.4.2波分復(fù)用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。

光調(diào)制器8x2.5Gb/s光解調(diào)器

1310nm

0..1550nm1550nm0

1551nmT

2^^1552mri1552nm

分

3------1553nm1553nm

用

4^_^!554nm器1554nm

5?------^1555nm1555nm

6-----1556nm120km1556nm

7^=Z1557nm1557nm

課件制作人：沈紅

波分復(fù)用的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：

可靈活增加光纖傳輸容量（利用低損耗波

■段）,

同時(shí)傳輸多路信號(hào)（非同步信號(hào)）

■成本低、維護(hù)方便

可靠性高，應(yīng)用廣泛

課件制作人：沈紅

2.4.3碼分復(fù)用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址CDMA

(CodeDivisionMultipleAccess)。

各用戶(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此彼

此不會(huì)造成干擾。

■這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其

頻譜類(lèi)似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。.

每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱(chēng)為

■碼片(chip)o

課件制作人：沈紅

碼片序列(chipsequence)

每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的mbit碼片序列。

■如發(fā)送比特1,則發(fā)送自己的勿bit碼片序列

■如發(fā)送比特0,則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼

例如，s站的8bit碼片序列是ooonon。

■發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011

■發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100

S站的碼片序列：(-1-1-1+1+1-1

+1+1)

課件制作人：沈紅

CDMA的重要特點(diǎn)

每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同,

并且還必須互相正交(orthogonal)。

在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。

課件制作人：沈紅

碼片序列的正交關(guān)系

令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他

任何站的碼片向量。

兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量s和T的

規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：

(2-3)

課件制作人：沈紅

碼片序列的正交關(guān)系舉例

令向量S為(-1-1-1+1+1-1+1+1),向

量T為(-1-1+1-1+1+1+1-1)o

把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出

這兩個(gè)碼片序列是正交的。

課件制作人：沈紅

正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性

任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格

化內(nèi)積都是1。

課件制作人：沈紅

CDMA的工作原理

數(shù)據(jù)碼元比特0

k-m個(gè)碼格

S站的碼片序列S)

發(fā)

I

送s站發(fā)送的信號(hào)sj

端

T站發(fā)送的信號(hào)

總的發(fā)送信號(hào)Sx+T

接

收

端

規(guī)格化內(nèi)積S?Tx」

課件制作人：沈紅

2.6數(shù)據(jù)交換技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)端點(diǎn)之間通常需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)通信，這些中間節(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容，而是提供一

個(gè)交換設(shè)備，把數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至

達(dá)到目的端。

數(shù)據(jù)交換技術(shù)主要是指網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)所提供的數(shù)據(jù)交

換功能。

在交換型通信網(wǎng)絡(luò)中，從一個(gè)站進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過(guò)

從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的交換，被選徑送往目的地。

交換：按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源

課高利客承技術(shù)：電路交換、報(bào)文交換和分組交換

2.6.1電路交換

電路交換(CircuitSwitching)是指數(shù)據(jù)傳輸期

間，在源站點(diǎn)與目的站點(diǎn)之間建立專(zhuān)用電路鏈接，

在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前，電路一直被占用，而不能被

其他結(jié)點(diǎn)所使用。電路交換必定是面向連接的。用

電路交換完成的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下三個(gè)階段。

■建立連接

■通信

■釋放連接

課件制作人：沈紅

電路交換舉例

A和B通話經(jīng)過(guò)四個(gè)交換機(jī)

通話在A到B的連接上進(jìn)行

中繼線父換機(jī)

用戶(hù)線\

/交換機(jī)\

3

3

3

3用戶(hù)線

課件制作人：沈紅

電路交換舉例

C和D通話只經(jīng)過(guò)一個(gè)本地交換機(jī)

課件制作人：沈紅

電路交換傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)效率低

優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失且

保持原來(lái)的序列。

缺點(diǎn)是：電路持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；線路的利用率很低；

低效；當(dāng)用戶(hù)終端或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過(guò)重時(shí)，可能

出現(xiàn)呼叫不通的情況，即不能建立電路連接。

電路交換適用于數(shù)據(jù)傳輸要求質(zhì)量高且批量大的

情況。

課件制作人：沈紅

2.6.2報(bào)文交換

報(bào)文交換(MessageSwitching)方式不需在

兩個(gè)站點(diǎn)之間建立一條專(zhuān)用電路，數(shù)據(jù)傳輸單位

是報(bào)文，所謂報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)

塊，其長(zhǎng)度不限并且可變。

課件制作人：沈勿

1、報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)

電路利用率高。

報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)上，通信量大時(shí)仍然可以接收?qǐng)?bào)文，

不過(guò)傳送延遲會(huì)增加。

報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地，

而電路交換網(wǎng)絡(luò)很難做到這一點(diǎn)。

報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。

2、報(bào)文交換的缺點(diǎn)

不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)或交互式的通信要求，報(bào)文經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)

的延遲時(shí)間長(zhǎng)而且不定。

有時(shí)結(jié)點(diǎn)收到過(guò)多的數(shù)據(jù)而無(wú)空間存儲(chǔ)或不能及時(shí)

轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，就不得不丟棄報(bào)文。

課件制作人：沈紅

2,分組交換的主要特點(diǎn)

在發(fā)送端，先把較長(zhǎng)的報(bào)文劃分成較短

的、固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)段。

報(bào)文

1101000110101010110101011100010011010010

假定這個(gè)報(bào)文較長(zhǎng)

不便于傳輸

課件制作人：沈紅

添加首部構(gòu)成分組

每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。

分組3

_____________________________人___________

請(qǐng)注意：現(xiàn)在左邊是“前面”

課件制作人：沈紅

分組交換的傳輸單元

分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依

次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左

邊）。

分組1

_____________________________人__________

課件制作人：沈紅

分組首部的重要性

?每一個(gè)分組的首部都含有地址等控制信

息。.

-分組交換網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)根據(jù)收到的

分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到

下一個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)。

用這樣的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能

到達(dá)最終目的地。

課件制作人：沈紅

收到分組后剝?nèi)ナ撞?/p>

接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報(bào)文。

分組1

______________________八_______________________

課件制作人：沈紅

最后還原成原來(lái)的報(bào)文

最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為

原來(lái)的報(bào)文。

-------------------報(bào)文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

這里我們假定分組在傳輸過(guò)程中沒(méi)有出

現(xiàn)差錯(cuò)，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)也沒(méi)有被丟棄。

課件制作人：沈紅

因特網(wǎng)的核心部分

因特網(wǎng)的核心部分是由許多網(wǎng)絡(luò)和把它們互連起

來(lái)的路由器組成,而主機(jī)處在因特網(wǎng)的邊緣部分。

■在因特網(wǎng)核心部分的路由器之間一般都用高速鏈

路相連接，而在網(wǎng)絡(luò)邊緣的主機(jī)接入到核心部分則

通常以相對(duì)較低速率的鏈路相連接。

主機(jī)的用途是為用戶(hù)進(jìn)行信息處理的，并且可以和

其他主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換信息。的用途則是

用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)分組的，即進(jìn)行分組交換的。

課件制作人：沈紅

課件制作人：沈紅

_網(wǎng)絡(luò)核心部分

HM\，

路由器2

D\

H

4

—

課件制作人：沈紅

分組交換網(wǎng)的示意圖

注意分組路徑的變化!

D

路由器

主機(jī)

H2向H6發(fā)送分組

兒向H5發(fā)送分組

互聯(lián)網(wǎng)

課件制作人：沈紅

注意分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

路

也向也發(fā)送分組

路由器

在路由器中的輸入和輸出端口之間沒(méi)有直

接連線。,

路由器處理分組的過(guò)程是：

■把收到的分組先放入緩存（暫時(shí)存儲(chǔ)）；

■查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個(gè)目的地址應(yīng)從哪個(gè)端

口轉(zhuǎn)發(fā)；

■把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。

課件制作人：沈紅

主機(jī)和路由器的作用不同

主機(jī)是為用戶(hù)進(jìn)行信息處理的，并向網(wǎng)絡(luò)

發(fā)送分組，從網(wǎng)絡(luò)接收分組。

路由器對(duì)分組進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組

交付目的主機(jī)。

課件制作人：沈紅

分組交換的優(yōu)點(diǎn)

J高效動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路

是逐段占用。

-靈活以分組為傳送單位和查找路由。

迅速不必先建立連接就能向其他主機(jī)

發(fā)送分組。

■可靠保證可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；分布式

的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。

課件制作人：沈紅

分組交換帶來(lái)的問(wèn)題

分組在各結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要排隊(duì)，這

就會(huì)造成一定的時(shí)延。

分組必須攜帶的首部（里面有必不可少

的控制信息）也造成了一定的開(kāi)銷(xiāo)。

課件制作人：沈紅

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理

并非完全新的概念

在20世紀(jì)40年代，電報(bào)通信也采用了基于

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理的報(bào)文交換(message

switching)o

■報(bào)文交換的時(shí)延較長(zhǎng)，從幾分鐘到幾小時(shí)不

等?，F(xiàn)在報(bào)文交換已經(jīng)很少有人使用了。

課件制作人：沈紅

分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報(bào)分組交

換兩種

(1)數(shù)據(jù)報(bào)分組交換

數(shù)據(jù)報(bào)分組交換是將每個(gè)分組被稱(chēng)為一個(gè)數(shù)

據(jù)報(bào)(datagram),若干個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成一次

要傳送的報(bào)文或數(shù)據(jù)塊。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸?shù)?/p>

過(guò)程中，都要進(jìn)行路徑選擇，各個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)可以

按照不同的路徑到達(dá)目的地。各數(shù)據(jù)報(bào)不能保

證按發(fā)送的順序到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)，有些數(shù)據(jù)報(bào)甚

至還可能在途中丟失。在接收端，再按分組的

J喇蠡將這些數(shù)據(jù)報(bào)組重新合成一個(gè)完整的報(bào)文。

數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)

應(yīng)用層為IP數(shù)據(jù)報(bào)/“I應(yīng)用層

運(yùn)輸層運(yùn)輸層

網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路層

物理層物理層

丟失

乩發(fā)送給H2的分組可能沿著不同路徑傳送

課件制作人：沈紅

ACK

數(shù)據(jù)報(bào)分組交換示意圖

課件制作人：沈紅

數(shù)據(jù)報(bào)分組交換的特點(diǎn)：

每個(gè)分組都必須帶有數(shù)據(jù)、源地址和目的地

址，其長(zhǎng)度受到限制，一般為2000比特以?xún)?nèi)，，

典型長(zhǎng)度為128個(gè)字節(jié)。

同一報(bào)文的分組可以由不同的傳輸路徑通過(guò)通

.信子網(wǎng)，到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)

或丟失現(xiàn)象。

-傳輸延遲較大，適用于突發(fā)性通信，不適用于

長(zhǎng)報(bào)文、會(huì)話式通信。

課件制作人：沈紅

(2)虛電路分組交換

■虛電路方式結(jié)合了數(shù)據(jù)報(bào)方式與線路交換方式的

優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)交換效果。

兩個(gè)用戶(hù)結(jié)點(diǎn)在開(kāi)始互相發(fā)送