《计算机网络基础》第二章第二章数据通信基础2.1数据通信的基本概念
2.2 数据传输方式
2.3 数据编码技术2.4 多路复用技术2.5 交换方式2.6 差错控制技术小结
习题《计算机网络基础》第二章2.1数据通信的基本概念数据通信技术的发展与计算机技术的发展密
切相关、互相影响。
数据通信就是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式具体地说它主要研究的是对计算机中的二进制数据进行传输、交换和处理
的理论、方法以及实现技术。数据通信技术为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。《计算机网络基础》第二章2.1.1信息、数据和信号通信的目的是交换信息。
信息是人脑对客观物质的反映既可以是对物质
的形态、大小、结构、性能等特性的描述也可
以是物质与外部的联系。
信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。《计算机网络基础》第二章2.1.1信息、数据和信号数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式
它能够被识别也可以被描述。
数据有模拟数据和数字数据之分。模拟数据是指在某个区间内连续变化的值。例如声音和视频是幅度连续变化的波形温度和压力
(传感器收集的数据)也是连续变化的值。数字数据在某个区间内是离散的值。例如文本信息和整数等。《计算机网络基础》第二章2.1.1信息、数据和信号数据和信息是两个不同的概念。数据是独立的
是尚未组织起来的事实的集合信息则是经过加
工处理后的数据。《计算机网络基础》第二章2.1.1信息、数据和信号信号是数据的具体的物理表现具有确定的物理
描述如电压、磁场强度等。
在计算机中信息是用数据表示的并转换成信号
进行传送。
信号有模拟信号和数字信号两种形式。《计算机网络基础》第二章2.1.1信息、数据和信号模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信
号数字信号是指一系列在时间上离散的信号。
图2.1给出了模拟信号和数字信号的表现形式。幅度
T
幅度
T
1 0 1 1 10模拟信号 数字信号图2.1 模拟信号和数字信号《计算机网络基础》第二章2.1.2 信道及信道类型信道是传输信号的通路由传输线路及相应的附
属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。
例如一条光缆可以同时供几千人通话有几千条电话信道。信道可以有以下几种分类方式。《计算机网络基础》第二章2.1.2 信道及信道类型1.物理信道和逻辑信道
在计算机网络中有物理信道和逻辑信道之分。
物理信道是指用来传送信号或数据的实际
物理通路它由
传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一
种通路当信号的接收者和发送者之间不仅存在一条物理
信道而且在此物理信道的基础上还实现了其他多路连
接时就把这些连接称为逻辑信道。
逻辑信道在物理信道的基础上根据需要增加一些必要的控制规程来控制数据的传输即逻辑信道在物理信道上增加软件或硬件规程用以实现物理信道的可靠数据传输。《计算机网络基础》第二章2.1.2 信道及信道类型2.有线信道和无线信道
根据传输介质是否有形物理信道可以分为有线
信道和无线信道。
有线信道由双绞线、同轴电缆、光缆等有形传输
介质及设备组成。而无线信道由无线电、微波和红外线等无形传输介质及相关设备组成无线信号以电磁波的形式
在空间传播。《计算机网络基础》第二章2.1.2 信道及信道类型3.模拟信道和数字信道
模拟信道中传输的是模拟信号。当在模拟信道上传输计算
机直接输出的二进制数字脉冲信号时就需要在信道两边
分别安装调制解调器以完成模拟与数字信号A/D之间的变换。数字信道中传输的是离散方式的二进制数字脉冲信号。计
算机中产生的数字信号是由“”和“”的二进制代码
组成的离散方式的信号序列。利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换。但是在信道的两边通常需要安装用于数字编码的编码器和用于解码的解码器即调制解调
器。关于数据编码的内容将在2.3节讨论。《计算机网络基础》第二章2.1.2 信道及信道类型4.专用信道和公用信道
专用信道又称专线这是一种连接用户之间设备
的专有固定线路它可以是自行架设的专门线路也可以是向电信部门租用的专线。公用信道是一种公共交换信道它是一种通过交
换机转接、为大量用户提供服务的共用信道因此又被称为公共交换信道。公共电话交换网就属于公共交换信道。《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标在数据通信系统中为了描述数据传输速率的大
小和传输质量的好坏需要运用下列技术指标。
1.数据传输速率
2.调制速率
3.出错率4.带宽《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标1.数据传输速率
数据传输速率就是指数据在信道中传输的速度。它是指在
有效带宽上单位时间内所传送的二进制代码的有效位数。用bit/s比特每秒也即bps、K bit/s千比特每秒1024bit/s≈103bit/s、M bit/s兆比特
每秒1024×1024≈106bit/s、G bit/s吉比
特每秒
10243 bit/s≈109bit/s或T bit/s太比特每秒10244 bit/s≈1012bit/s等单位来表示。《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标2.调制速率
调制速率即波特率也称为波形速率或码元速率。
一个码元就是一个数字脉冲。是指经过调制后的
信号。所以调制速度特指在计算机网络的通信过
程中从调制解调器输出的调制信号每秒钟载
波调制状态改变的次数。《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标2.调制速率
B用波特Baud为单位。1波特就表示每秒钟传送一个码元或一个
波形。波特率是脉冲数字信号经过调制后的传输速率。若以Ts来
表示每个波形的持续时间则调制速率可以表示为B1/T波特比特率和波特率之间有下列关系公式SBlog2N
其中N为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二进制中一个脉
冲的有和无用“”和“”两个状态表示。对于多相调制来说
表示相的数目。在二相调制中故SB即比特率与波特
率相等。但在更高相数的多相调制时S与B就不同了参见表.
所示。《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标表2.1比特率和波特率的关系波特率B 1200 1200 1200 1200
多相调制相数
二相调制n
=2
四相调制n
=4
八相调制n
=8
十六相调制n
=16比特率Sbits-1
1200 2400 3600 4800《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标波特率调制速率和比特速率数据传输速率是两个最容易混淆
的概念但它们在数据通信中确实很重要。两者的区别与联系如图
2.2所示。计算机 计算机
Modem
Modem
共用电话网
模拟信道
波特率
Baud
比特率
bit/s图2.2比特率和波特率的区别《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标3.出错率
出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错
误率也称误码率。传输可靠性指标由于传输中信息的最
小单位不同而不同。信息的单位可以是比特、码元、码字
因此出错率有以下几种表示方法
误比特率Pb接收的错误比特数占传输总比特数的比例。误码率Pe接收的错误码元数占传输总码元数的比例。一般在计算机网络通信系统中出错率应该低于10-9。《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标4.带宽
带宽就是指通信信道的宽度代表信道传输信息的能力。
在模拟信道中即传输信道的最高频率与最低频率的差其单位为Hz。信道带宽是由信道的物理特性来决定
的如电话线路的带宽范围在3003 400 Hz之间。而在数
字信道中人们常用数据传输速率比特率表示信道的
传输能力带宽即每秒传输的比特数单位为bit例如双绞线以太网的传输速率为10Mbit/s或100Mbit/s等。《计算机网络基础》第二章2.1.3 通信系统的主要技术指标4.带宽
通常情况下信道带宽和信道容量具有正比关系
带宽越宽容量就越大。但在实际情况下由于
信道中存在噪声或干扰现象因此信道带宽的
无限增加并不能使信道容量无限增加。《计算机网络基础》第二章2.2 数据传输方式在数据通信过程中需要解决的问题有
数据通信采用串行传输还是并行传输
是单向传输还是双向传输
如何实现接收方与发送方的同步《计算机网络基础》第二章2.2.1并行通信和串行通信1. 并行通信
并行数据传输是指数据以成组的方式在多个
并行信道上同时进行传输如图2.3所示是以并
行传输的方式将1个字符代码的几位二进制比特
分别通过几个并行的信道同时传输一次传送8
个比特。《计算机网络基础》第二章2.2.1并行通信和串行通信发
送
端信道1
信道2
信道3
信道4
信道5
信道6
信道7
信道8接
收
端图2.3并行数据传输《计算机网络基础》第二章2.2.1并行通信和串行通信并行数据传输的优点是速度快但发送端
和接收端之间需要有若干条线路费用高因
此较适合于近距离和高速率的通信。通常计算机与计算机、计算机与各种外部设备之间的通信方式可以选择并行传输计算机内部的通信
通常都是并行传输。《计算机网络基础》第二章2.2.1并行通信和串行通信2.串行通信
串行数据传输是指以串行方式在一条信道上传
输数据。对于一个由若干位二进制数表示的字符串行传输都是用一个传输信道按位有序地对字符进行传输。由于计算机内部都是采用
并行数据传输因此数据在发送前必须要进行并/串转换在接收端再进行相反的变换由此来实现串行通信如图2.4所示。《计算机网络基础》第二章2.2.1并行通信和串行通信发
送
端1
2
3
4
5
6
7
8并
串
转
换
并
串
转
换1
2
3
4
5
6
7
8接
收
端87654321图2.4串行数据传输《计算机网络基础》第二章2.2.1并行通信和串行通信串行数据传输只需要一条传输信道成本
低但其速度也低串行数据传输常用于计算
机的串口上在远程通信中通常也采用串行数据传输方式。《计算机网络基础》第二章2.2.2 同步传输和异步传输数字通信中必须解决的一个重要问题就是
数据的发送方和接收方如何
在时间基准上保持
步调一致。其方法一般有两种即同步传输和异步传输。《计算机网络基础》第二章2.2.2 同步传输和异步传输1.同步传输
同步传输采用的是按位传输的同步技术即当数
据在进行同步传输时字符间会有一个固定的时
间间隔这个时间间隔由数字时钟来确定。发送
方在发送数据前首先向接收方发送一串同步的
时钟脉冲接收方按照时钟脉冲信号进行频率锁
定然后接收数据信息如图2.5所示。《计算机网络基础》第二章2.2.2 同步传输和异步传输计算机
计算机
01111110 1000010101..1001010101
同步字节
01011110
数据帧
同步字节图2.5同步传输《计算机网络基础》第二章2.2.2 同步传输和异步传输例如在发送一组字符或数据块之前先发
送一个同步字符SYN01111110用于接
收方进行同步的检测从而使收发双方都进入同步状态。在同步字符或字节之后可以连续发送任意多个字符或数据块发送数据完毕后发送
方再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。《计算机网络基础》第二章2.2.2 同步传输和异步传输2.异步传输
异步传输采用的是群同步技术传输的信息可以被分成若
干个“群”群中的比特数不是固定的在发送端和接收端之间只需要保持一个“群”内的同步。具体来说异步传输方式传输一个字符时每个字符前面有一个起始位
后面有一个停止位当没有数据要发送时发送器就发出
连续的停止位这样接收器就可以根据从1到0的跳变
来识别一个新字符的开始。此外异步传输要求每个字符
增加23位校验码如图2.6所示。《计算机网络基础》第二章2.2.2 同步传输和异步传输异步传输的主要特点是可以以不同速率发送且实现比较容易比较适合于低速通信。数据传输方向
计算机
计算机
011111101 0 010101101 0
同步字节
010111101 0
起始位
停止位图2.6异步传输《计算机网络基础》第二章2.2.3单工、半双工和全双工按照数据在通信线路上传输的方向可以将数据
的传输方式分为单工通信、半双工通信和全双工
通信3种。《计算机网络基础》第二章2.2.3单工、半双工和全双工1.单工通信
单工通信中的数据传输只能沿一个方向进行。任
何时候都不能改变信号的传送方向如无线电广播和电视都属于单工通信。为了保证传送信息的正确性在单工通信中需要进行差错控制。
单工通信的线路一般都是二线制存在两个信道分别为用来传输信息的主信道和监测信息的监测信道。《计算机网络基础》第二章2.2.3单工、半双工和全双工2.半双工通信
半双工通信中的数据传输可以两个方向进行但
同一时刻一个信道只允许单方向传送。信息流轮
流地使用发送和接收装置传输监测信号通过两
种方式进行。
一种是在应答时转换传输信道
另一种是把主信道和监测信道分开设立供监测
信号使用。《计算机网络基础》第二章2.2.3单工、半双工和全双工3.全双工通信
全双工通信中的数据传输可以同时沿相反的两个
方向进行。
线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进
行监测的信道这就保证了通信信道两端的发送、接收装置可以同时发送和接收信息。《计算机网络基础》第二章2.3.1 数据通信系统的组成与类型一个数据通信系统由三大部分组成即信源系
统发送端、传输系统传输网络和目的系
统接收端。在数据通信系统中产生和发送信息的一端叫信源接收信息的一端叫信宿。
信源与信宿之间通过通信设备和传输介质进行通
信。《计算机网络基础》第二章2.3.1 数据通信系统的组成与类型《计算机网络基础》第二章2.3.1 数据通信系统的组成与类型信源发出的可以是模拟数据也可以是数字数据传输系统中有的信道为模拟信道只能传输模拟信号而有的为数字信道只能传输数字信号。因此有必要将信源传出的数据按照所要经过的信道类型进行相应的
编码变换。在信源数据转变为信号传输时有以下种可能的关系如
图2.7所示。
①数字数据数字信号传输。例如10BaseT以太网。
②数字数据模拟信号传输。例如使用调制解调器上网。
③模拟数据数字信号传输。例如数字电视传输系统。
④模拟数据模拟信号传输。例如早期的电话传输系统。《计算机网络基础》第二章2.3.1 数据通信系统的组成与类型数字编码
NRZ、曼彻斯
特、差分曼彻
斯特等
数字数据
(1)
数字信号
数字信道
调制
ASK、AFK、
PSK等
数字数据
(2)
模拟信号
模拟信道
脉冲编码调制
PCM
模拟数据
(3)
数字信号
数字信道
调制
AM、FM、PM
模拟数据
(4)
模拟信号
模拟信道图2.7信源数据与传输信号的关系类型《计算机网络基础》第二章2.3.2 数字数据编码为数字信号数字数据可以用高低电平的矩形脉冲来编码常
用的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差
分曼彻斯特编码。《计算机网络基础》第二章2.3.2 数字数据编码为数字信号1.不归零编码NRZNon Return to Zero
不归零编码可以用负电压代表逻辑用正电压代表逻辑
。当然也可以有其他的表示方法。
不
归零编码的优点是简单、容易实现缺点是接收方和发
送方无法保持同步。为了保证收、发双方同步必须在发
送NRZ码的同时用另一个信道同时发送同步时钟信号
见图2.8a。此外如果信号中和的个数不等时存
在着数据传输过程中不希望的直流分量。计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的不归零编码技术。《计算机网络基础》第二章2.3.2 数字数据编码为数字信号2.曼彻斯特编码Manchester
曼彻斯特编码是目前广泛使用的编码方法之一其编码规
则如下。(1)每比特的周期分为前后两个相等的部分。(2)每一位二进制的中间都有跳变其中间的这个电平跳
变就作为双方的同步信号。
(3)当每位由低电平跳变到高电平时就表示数字信号每位由高电平跳变到低电平时就表示数字信号。典型的曼彻斯特编码波形如图2.8所示。《计算机网络基础》第二章2.3.2 数字数据编码为数字信号3.差分曼彻斯特编码Difference Manchester
差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进它的编码规
则如下
(1)每个比特值无论是还是中间都有一次电平跳变
这个跳变做同步之用。
(2)若比特值为则前半个比特的电平与上一个比特的
后半个比特的电平相反若比特值为则前半个比特的
电平与上一个比特的后半个比特的电平相同。其典型波形如图2.8c所示。由图可见若本位的比特值为则开始处出现电平跳变反之当本位的比特值为时开始
处不发生电平跳变。《计算机网络基础》第二章2.3.2 数字数据编码为数字信号数字数据
0 1 0 1 1 0 0 1 0
aNRZ编码
NRZ编码的
同步时钟
b曼彻斯特
编码
c差分曼彻
斯特编码图2.8 数字数据信号编码波形《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号电话通信信道是典型的模拟通信信道它是目前世界上覆
盖面最广、应用最普遍的一种通信信道。无论网络与通信
技术如何发展电话仍然是一种基本的通信手段。传统的电话通信信道是为传输模拟语音信号设计的只适用于传输音频范围300Hz3400Hz的模拟信号无法直
接传输计算机的数字信号。
为了利用电话交换网的模拟语音信道实现计算机数据信号
的传输必须将数字信号转化为模拟信号。《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号在调制过程中所选用的载波信号可以表示为正弦波形式
ωψ
其中幅度A、频率ω和相位ψ的变化均影响信号波形。它们是正弦波的控制参数
也称为调制参数。可以通过改变这个参量实现对模拟数据信号的编码。相应的调制方
式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制下面将分别
介绍这几种调制技术。《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号1.幅度调制
幅度调制简称调幅也称为幅移键控它的调制
原理是用两个不同振幅的载波分别表示0和1。例
如可以用幅度为A1的载波信号表示数字
用幅度A的载波信号表示数字波形图如
图2-9所示。《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号0 1 0 0 1 1 1 0 0
基带信号
调幅图2.9 幅度调制《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号2.频率调制
频率调制简称调频也称为频移键控它的调制
原理是用两个不同频率ω的载波分别表示二进制
值0和1。例如图2-10所示。《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号0 1 0 0 1 1 1 0 0
基带信号
调频图2.10 频率调制《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号3.相位调制
相位调制简称调相也称为相移键控它的调制
原理是用两个不同相位ψ的载波分别表示二进制
值0和1。相移键控按相位的变化情况分为绝对相
移键控和相对相移键控两种形式。《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字0和
1例如相位偏移1800如表示0用相位00表示
1如图2-11所示。基带信号
调相
0 1 0 0 1 1 1 0 0图2.11 绝对相移键控《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号相对相移键控用载波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。最简单的相对调相方法是与前一个信号同
相表示数字0相位偏移1800表示数字1如图2.12所示。这种方
法具有较好的抗干扰性。基带信号
调相
相对
0 1 0 0 1 1 1 0 0图2.12 相对相移键控《计算机网络基础》第二章2.3.3数字数据编码为模拟信号利用调幅、调频和调相将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程称为调制相应的调制设备称为调
制器在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程
称为解调相应的设备称为解调器。同时具备调制
和解调功能的设备称为调制解调器Modem。《计算机网络基础》第二章2.3.4 模拟数据编码为数字信号在数字化的交换和传输系统中通常需要将模拟
的语音数据编码成数字信号后再进行传输。典型
的编码方法为脉冲调制PCMPulse Code Modulation它是波形编码中最重要的一种方式在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等
方面均获得了极为广泛的应用现在的数字传输系统大多采用PCM体制。如图2.13所示。《计算机网络基础》第二章2.3.4 模拟数据编码为数字信号PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。图2.13 PCM体制《计算机网络基础》第二章2.4 多路复用技术为了更加有效地利用通信线路希望一个信道中
能够同时传输多路信息。人们把利用一条物理线
路同时传输多路信息的过程称为多路复用。多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道内进行传输使多台计算机或终端设备共享信道
资源提高信道的利用率。特别是在远距离传输时可大大节省电缆的成本、安装与维护费用。《计算机网络基础》第二章2.4 多路复用技术多路复用技术通常有:
频分多路复用FDMFrequency Division
Multiplexing、时分多路复用TDMTime Division Multiplexing、
波分多路复用WDMWavelength Division Multiplexing、码分多路复用CDMACode Division
Multiplex Access 等。《计算机网络基础》第二章2.4.1 频分多路复用频分多路复用就是将一条物理信道可以传输的频带分割成
若干条较窄的频带每个频带都可以分配给用户形成数据
传输子路径。事实上介质的可用带宽往往超过每个用户信号所需的带宽。因此我们就可以把该介质的总带宽分割成若干个和
传输的单个信号带宽相同的子信道然后每个信道传输一
个信号。频分多路复用的一般情况如图2.14所示。《计算机网络基础》第二章2.4.1 频分多路复用频率
时间
频率n
...
频率3
频率2
频率1图2.14 频分多路复用《计算机网络基础》第二章2.4.2 时分多路复用时分多路复用即通过一个自动分配系统将一条传输信
道按照一定的时间间隔分割成多条独立的、速率较低的传
输信道。
每一个时间间隔叫做一个时间片每个时间片由复用
的一个信号占用。这样利用每个信号在时间上的交叉
便可在同一物理信道上传输多个数字信号这实际上是多
个信号轮流使用物理介质。
时分多路复用技术又包括同步时分多路复用和异步时
分多路复用两种。《计算机网络基础》第二章2.4.2 时分多路复用1.同步时分多路复用
同步时分多路复用就是对信道进行固定的时隙分
配不管终端是否有数据要发送都会占用一个
时隙。由于在发送端每路信号都在他们固定的时
隙所以接收端可以根据时隙的位置判断出是哪
路信号。如图2.15所示。《计算机网络基础》第二章2.4.2 时分多路复用a
A
a
t
b b
t
B
c c
C
t
t
D
d
t
时分复用
a b
b c
c
a
d
#1
#2
#3 #4
4个时分复用帧图2.15 同步时分多路复用《计算机网络基础》第二章2.4.2 时分多路复用2.异步时分多路复用异步时分多路复用也称为智
能时分复用它可以动态地按照需要来分配时隙
从而避免了同步时分多路复用中出现的浪费时隙的现象从而提高了时隙的利用率如图2.16所示。《计算机网络基础》第二章2.4.2 时分多路复用图2.16异步时分多路复用a
A
a
t
b b
t
B
c c
C
t
t
D
d
3个STDM帧
集中器
t
a b b c c ad
#1 #2 #3
统计时分复用帧《计算机网络基础》第二章2.4.3 波分多路复用波分多路复用就是在光的频分复用。波分多路复
用的本质是在一条光纤中用不同颜色的光波来传
输多路信号而不同的色光在光纤中传输彼此互不干扰。波分多路复用是频分多路复用的一个变种主要应用于全光纤网组成的通信系统中。如
图2.17所示.《计算机网络基础》第二章2.4.3 波分多路复用光调制器
8×2.5Gb/s
1310nm
0 1550nm
1 1551nm
2 1552nm
3 1553nm
4 1554nm
5 1555nm
6 1556nm
7 1557nm
复
用
器
20 Gb/s
120Km
EDFA
分
用
器
01550nm
11551nm
21552nm
31553nm
41554nm
51555nm
61556nm
71557nm
8×2.5Gb/s
1310nm
光解调器图2.17波分多路复用《计算机网络基础》第二章2.4.4 码分多路复用码分多路复用常称为码分多址CDMA是另一种共享信道
的方法。每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信。
由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型因此不会造成干扰。码分多路复用最初是用于军事通信因为这种系统发送的
信号有很强的抗干扰能力其频谱类似于白噪声不易被
敌人发现。随着技术的进步CDMA设备的价格和体积都
大幅度下降因而现在已广泛使用在民用的移动通信中
特别是在无线局域网中。《计算机网络基础》第二章2.5交换方式在计算机网络中常常需要通过有中间节点的线路来将数
据从源地发送到目的地以此实现通信。而这些中间节点
并不关心数据内容只是提供一种交换设备将数据从一个节点转接到另一个节点直到最终到达目的地这个过程称为交换。在考虑网络结构时一个重要因素就是怎样
进行信息交换即采用何种交换方式。
目前通常使用的信息交换方式有三种电路交换、报文
交换和分组交换。《计算机网络基础》第二章2.5.1 电路交换电路交换Circuit Switching又称线路交换是数
据通信领域最早使用的交换方式。它是一种直接的交换方
式通过网络结点在通信双方之间建立专用的临时通信链
路即在两个工作站之间具有实
际的物理连接。
信道上的所有设备实际上只起开关作用开关合即信道通
对信息传输没有额外的延时而只有传播延时。在通信过
程中交换设备对通信双方的通信内容不做任何干预即
对信息的代码、格式和传输控制顺序等没有影响。最普通
的电路交换的例子是电话通信系统。《计算机网络基础》第二章2.5.1 电路交换电路交换过程包括3个阶段即建立连接、数据传送和断开
连接。
1.建立连接。在进行任何信号传送之前参与通信的两个
站点间必须建立连接。其过程为由主叫用户发出线路呼叫请求在交换节点建立一条物理线路然后接收方发出应答信号这样就建立一条通信线路的连接。
2.数据传送。建立好通信线路后数据通信的双方便可以
沿着已经建立好的线路传输数据了。3.断开连接。在经过一段时间的数据传送后通常由通信双方中的一方来发出拆线的请求另外一方同意后原来
的线路就可以被释放了。《计算机网络基础》第二章2.5.1 电路交换主机H A主机H B节点A
节点B
节点C
节点D线
路
建
立
数
据
传
输
线
路
释
放呼叫请求
呼叫应答
报文或
报文分组
应答
释放请求
释放应答图2.18电路交换的工作原理示意图《计算机网络基础》第二章2.5.1 电路交换电路交换的优点如下
(1)传输延迟小惟一的延迟是电磁信号的传播时
间。
(2)线路一旦接通不会发生冲突。
(3)对于占用信道的用户来说数据以固定的速率进行传输可靠性和实时响应能力都很好适用于交互式会话类通信。《计算机网络基础》第二章2.5.1 电路交换缺点
(1)电路交换建立线路所需的时间较长。另外线路连接一
旦建立就独占线路因此线路的利用率低。(2)线路连接一旦建立就独占线路因此线路的利用率低。(3) 电路交换系统不具备差错控制的能力无法发现并纠正
传输过程中的错误。
(4)电路交换不具有数据存储能力不能改变数据的内容。也不能自动调整和均衡通信流量。《计算机网络基础》第二章2.5.1 电路交换因此根据电路交换的特点它适用于高负荷的持
续通信和实时性要求强的场合尤其适用于会话、
语音、图像等交互式通信类而不适合传输突发性、间断型数字信号的计算机与计算机、计算机与终端之间的通信。《计算机网络基础》第二章2.5.2 报文交换在中转结点把待传输的信息存储起来然后通过缓冲器向
下一结点转发的交换方式称为存储交换或存储转发
Store and Forward。
报文交换Message Switching就是发送方先把
待发送的信息分成
多个报文正文在报文正文上附加发送
站、接收站地址及其他控制信息形成一份份完整的报文。
然后以报文为单位在交换网络的各结点间传送。结点在
接收整个报文后对报文进行缓存和必要的处理。等到指定
输出端的线路和下一结点空闲时再将报文转发出去直
到目的结点。《计算机网络基础》第二章2.5.2 报文交换报文交换的优点如下
(1)电路利用率高。报文从源点传送到目的地采用“存储—转发”方式
在传送报文时一个时刻仅占用一段通道。由于许多报文可以分时共
享两个节点之间的通道所以对于同样的通信量来说对电路的传输能力要求较低。(2)在电路交换网络上当通信量变得很大时就不能接受新的呼叫。
而在报文交换网络上通信量大时仍然可以接收报文不过传送延迟
会增加。
(3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地而电路交换网络
很难做到这一点。
(4)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。《计算机网络基础》第二章2.5.2 报文交换缺点
(1)在交换节点中需要缓冲存储报文需要排队
报文经过网络的延迟时间长且不定所以不能满
足实时或交互式的通信要求。
(2)有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时就不得不丢弃报文。《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换报文交换对传输的数据块报文的大小不加限
制当传输大报文时单个报文可能占用一条线
路长达几分钟这样显然不适合交互式通信。为了更好地利用信道容量并降低节点中数据量的突发性可以将报文交换改进为分组交换。
分组交换将用户的大报文分成若干个更小的等长的数据段这数据段称为分组。如图2.19所示。《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换图2.19分组的示意图首部 数 据 首部 数 据 首部 数 据
发送在前
101001110101100
???????
001010011101000
分组 分组 分组
报文《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换分组交换包括两种即数据报分组交换和虚电路分组交换。
1.数据报分组交换
在数据报方式中每个分组的传送是被单独处理的像报文交换中的报文一样。每个分组被称为一个数据报每个数据报自身携带足够的地址信息一个节点接收到数据报
后将其原样地发送到下节点。因为各个节点随时根据网
络流量、故障等情况选择路径从而各个数据报的到达也不保证是按时的甚至有的数据报会丢失。《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换主机H A节点A节点E节点B
节点C
节点F
节点D
节点G
P 1P 2P 1P 1P 1主机H BP 1 P 2P 2P
2P 2ACK
ACK
ACK
ACK
ACK
ACK图2.20数据报工作方式示意图《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换这种分组交换方式简称为数据报方式其基本传
输的数据单元是小报文。数据报的特点同一个
报文的不同分组可以由不同的传输路径来传输不同分组到达目标节点时可能会出现乱序、重复或丢失现象数据报传输的延迟较大只适用于
突发性通信。《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换2.虚电路分组交换
在虚电路分组交换方式中在发送分组之前需要在发送
站和目的站之间建立一条逻辑连接即虚电路。它之所以是“虚”的是因为这条电路不是专用的。此时每个分组除含有数据外还有虚电路标识所以在途经各节点时
不进行路由选择只需按照事先建立好的连接传输。数据
传输完毕可由任何一方发出清除请求分组以终止本次
连接。但是这条路径与电路交换中的专用通道不同分组
在每个节点仍需要缓冲并排队等待转发。《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换主机H A主机H B节点A虚
电
路
建
立
数
据
传
输
虚
电
路
拆
除呼叫请求
呼叫应答
节点B节点G
节点C
节点E节点F
节点D
P1P1P1P2P2P2ACK
ACK
ACK
释放请求
释放应答图2.21虚电路的
工作原理示意图主机H A主机H B节点A虚
电
路
建
立
数
据
传
输
虚
电
路
拆
除呼叫请求
呼叫应答
节点B节点G
节点C
节点E节点F
节点D
P1P1P1P2P2P2ACK
ACK
ACK
释放请求
释放应答《计算机网络基础》第二章2.5.3 分组交换虚电路分组交换适用于两端之间的长时间数据交换尤其是在交互式
会话中每次传送的数据很短的情况下可免去每个分组要有地址信息
的额外开销。它提供了更可靠的通信功能保证每个分组正确到达
且保持原来顺序。还可对两个数据端点的流量进行控制接收方在来不及接收数据时可以通知发送方暂缓发送分组。但虚电路有一个弱点当某个节点或某条链路出现故障而彻底失效时则所有经过故障
点的虚电路将立即被破坏。
数据报分组交换省去了呼叫建立阶段它传输少数几个分组的速度要
比虚电路方式简便灵活。在数据报方式中分组可以绕开故障区而到达目的地因此故障的影响面要比虚电路方式小得多。但数据报不保证分组的按序到达数据的丢失也不会立即知道。《计算机网络基础》第二章2.5.4交换技术的比较呼叫
请求
建路
传输
拆除
传输延迟 处理延迟
报 文节点A
B C D
呼
叫
接
收
确
认
A B C D报 文
报 文
报 文建路
传输
拆除
节
点A
B C D A B C D
分组交换PTK1
PTK1
PTK1
PTK2
PTK2
PTK2
PTK3
PTK3
PTK
3
PTK1
PTK1
PTK1
PTK2
PTK2
PTK2
PTK3
PTK3
PTK3a电路交换
b报文交换
c虚电路交换 d数据报交换图2.22几种交换技术的工作时序图《计算机网络基础》第二章2.5.4交换技术的比较简单总结一下种技术的主要特点。
(1)电路交换在数据传送之前必须先设置一条通路在线路释放之前该通路将由一对用户独占对于间歇式的通信电路交换效率不高。(2)报文交换报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式在传送报
文时同时只占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储报文需要
排队。因此报文交换不能满足实时通信的要求。
(3)分组交换交换方式和报文交换方式类似但报文被分成分组传送
并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中目的地需要重新组
装报文。在虚电路分组交换中在数据传送之前必须通过虚呼叫设置
一条虚电路。分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技
术。《计算机网络基础》第二章2.6 差错控制技术通常我们把通过通信信道接收到的数据与原来
发送的数据不一致的现象称为传输差错简称为
差错。由于差错的产生是不可避免的因此在网络通信技术中必须对此加以研究和解决。
通常差错控制技术包括两个主要内容差错的检
查和差错的纠正。《计算机网络基础》第二章2.6.1 差错的分类与差错出现的可能原因①热噪声差错
②冲击噪声差错
在通信过程中产生的传输差错是由随机差错与
突发差错共同组成的。计算机网络通信系统对平
均误码率的要求是介于10-9与10-6之间若想达到这项要求必须解决好自动检测差错以及自动校正差错的问题。《计算机网络基础》第二章2.6.2差错控制的方法在数据通信系统中差错控制包括差错检测和差错
纠正两部分常见差错控制的方法主要有以下三
种。1.反馈重发检错方法2.前向纠错方法3.混合纠错方法《计算机网络基础》第二章2.6.2差错控制的方法在数据通信系统中差错控制包括差错检测和差错
纠正两部分常见差错控制的方法主要有以下三
种。1.反馈重发检错方法2.前向纠错方法3.混合纠错方法《计算机网络基础》第二章2.6.2差错控制的方法1.反馈重发检错方法
反馈重发检错方法又称自动请求重发ARQ
Automatic Repeat reQuest 方法
如图2.23所示。信
息
检错码
编码器
发
送
器
接
收
器
噪声源
检错码
译码器
信
息
反馈
控制
反馈
控制图2.23 ARQ方法原理图《计算机网络基础
》第二章2.6.2差错控制的方法2.前向纠错方法前向纠错方法FECForward Error Correcting是由发送端发
出能纠错的编码接收端收到这些编码后通过纠错译码器不仅能自
动地发现错误而且能自动地纠正传输中的错误然后把纠错后的数据送到接收端高层处理如图2.24所示。信
息
检错码
编码器
发
送
器
接
收
器
噪声源
检错码
译码器
信
息图2.24 FEC方法原理图《计算机网络基础》第二章2.6.2差错控制的方法3.混合纠错方法
混合纠错方法就是反馈重发检错和前向纠错两种
方法的结合。混合纠错方法是由发送端发出同时
具有检错和纠错能力的编码接收端收到编码后
检查差错情况如差错在可纠正范围内则自动
纠正之如差错很多超出了纠错能力则经反
馈信道送回发送端要求重发。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码为了让接收方能自行纠错就必须携带更多的纠
错码因而传输效率不高。在当今的网络中出错
率其实并不高因而网络中通常采用反馈重发检错方法。下面是常用的三种添加检错码的差错控制编码
方法1.奇偶校验2.方块校验
3.循环冗余校验《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码1.奇偶校验
奇偶校验Parity Checking是以字符为单位的校验
方法也称垂直冗余校验VRC。一个字符由8位组成
低7位是信息字符的ASCII最高位附加位为奇偶校验码位。奇偶校验又分为奇校验和偶校验两种。在偶校验时发送
方通过检验位的取值不同从而保证传输字符代码中“”
的个数为偶数个。同理奇校验时发送方必须保证传输字符代码中“”的个数为奇数个。接收端收到信号之后对每个码组检查其中“”的个数是否为偶数偶校验
或奇数奇校验从而判断收到的数据是否出错。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码偶校验和奇校验的应用示例。
表2.2奇偶校验位的设置校验方式 校验位
ASCII的位7 6 5 4 3 2 1ASCII
代码的字符
偶校验
0 1 0 1 1 0 0 1 89 Y奇校验
1 1 0 1 1 0 0 1 89 Y《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码奇偶检验虽然简单但并不是一种安全的差错控
制方法。奇偶校验只能检测出奇数个比特位的错
误对偶数个比特位的错误则无能为力。一般地在低速传输时出错概率较低效果还可以令人满意。而当传输数据速率很高时噪声
脉冲很可能破坏位以上的数据位差错检验的结果很可能是错误的。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码2.方块校验
方块校验也称水平垂直冗余校
验LRC其工作
原理的实质仍然是奇偶检验。LRC是一种对行和列都进行上述奇偶校验的方法。它是一种在VRC校验法的基础上进一步加强校验的方法它的
工作原理同VRC法十分相似。它在传送一批字符如7个之后增加了一个称为方块校验字符的检验字符。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码表2.3 LRC的工作方式字符
N字符1 E字符2 T字符3 w字符4 O字符5 R字符6 K字符7
LRC字
符偶
位1
1 1 1 1 1 1 1 1位2
0 0 0 0 0 0 0 0位30 0 1 1 0 1 0 1
位4
1 0 0 0 1 0 1 1
位5
1 1 1 1 1 0 0 1位6
1 0 0 1 1 1 1 1位70 1 0 1 1 0 1 0
校验位偶
0 1 1 1 1 1 0 1《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码采用这种校验方法如果有两位传输出错则不
仅从每个字符中的奇偶校验位中反映出来同时
也在方块校验字符校验位中得到反映。因此这种方法有较强的检错能力基本能发现所有一位、两位或三位的错误从而使误码率降低个
数量级。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码3.循环冗余校验
目前最精确和最常用的差错控制技术是循环冗余校验
CRCCyclic Redundancy Check。CRC是一种较复杂的校验方法它是一种通过多项式除法检测差错的方法。CRC的检错原理收发双方用约定一个生成多项式
G(x)对信息码M(x)做多项式除法求出余数即CRC校
验码发送方在数据帧的末尾加上CRC校验码这个带有
校验码的帧的多项式一定能够被G(x)整除。接收方收到
后用同样的G(x)除收到的序列若有余数则传输有
错。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码CRC的工作过程如下
(1)设M(x)为位信息码多项式G(x)为阶生成码多项
式则R(x)为位校验码(2)用模除法进行2r×M(x)G(x)得到余R(x)(3)发送形成的比特序列2r×M(x)R(x)。
(4)接收方收到后用同样的G(x)除收到的比特序列。若能
被其整除则表示传输无误反之表示传输有误通知发送端重发数据直至传输正确为止。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码例如若要传输的信息码为110011则信息码
多项式M(x)54选用生成多
项式G(x)43r则生成码为11001。按照步骤②可得出余式R(x)的代码为1001计算方法如图2.25所示。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码Q(x)1 0 0 0 0 1
1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 1
1 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 1 )
1 1 0 0 0 1
1 0 0 1
R(x) 冗余码
M(x) *xr图2.25 CRC校验计算方法《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控
制编码由上可知最终传输的码字为1100111001。如
接收端接收到信息1100111001后除以同样
的生成多项式G(x)43若余式R(x)为则证明信息传输正确若余式R(x)不为则证明信息传输有误。《计算机网络基础》第二章2.6.3 差错控制编码使用CRC校验可查出所有的单位错和双位错、
所有具有奇数位的差错和所有长度少于生成多项
式串长度的实发错误能查出99以上更长位的突发性错误由于误码率低因此得到广泛的应用。但CRC校验码的生成和差错检测需要用到复
杂的计算用软件实现比较麻烦而且速度慢目前已有相应的硬件来实现这一功能。《计算机网络基础》第二章小结计算机网络是现代通信技术与计算机技术紧密相
结合的产物数据通信技术为计算机网络发展提
供可靠的保障和基础掌握相关的通信技术对我们更好的掌握计算机网络提供很好的帮助。在数据通信技术中数据编码技术、多路复用技
术、数据交换技术和差错控制技术是我们需要重
点掌握的通信技术。《计算机网络基础》第二章习题1什么是数据通信技术数据通信系统的基本组成部分。
2简述数据通信的几种交换方式和数据通信网络的主要特征。
4简述模拟信号和数字信号的差异。
5什么是数据编码技术比较数字数据的模拟信号调制技术和数字信号编码
技术。6请用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码来表示数字数据00110101。7什么是多路复用技术多路复用的基本原理是什么
8多路复用常用的技术有哪几种试分析它们不同的特点和使用范围。
9有哪几种数据交换技术请列举这些交换技术的实际应用。
10比较线路交换和报文交换的特点和使用范围。
11在数据传输过程中采用循环冗余检验码生成多项式为PX发送方要发送的信息为1010001101求出实际发送的
码元假设传输过程中无差错写出接收方的检错过程。