盛立軍《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)》第二章

.,計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ),.,第2章,數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),.,計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，因此，數(shù)據(jù)通信技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。要研究計算機網(wǎng)絡(luò)，首先要研究數(shù)據(jù)通信技術(shù)。數(shù)據(jù)通信就是指通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以某種信號方式從一處傳送到另一處。本章主要講解與數(shù)據(jù)通信有關(guān)的基礎(chǔ)知識，包括數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)通信方式、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)同步方式、信道復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)和差錯控制技術(shù)等內(nèi)容。,.,學(xué)習(xí)目標(biāo),.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),在當(dāng)今信息社會中，通信是人們獲取、傳遞和交換信息的重要手段。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等新型技術(shù)的不斷發(fā)展以及計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代通信中出現(xiàn)了如數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等具有代表性的新領(lǐng)域。而在這些新領(lǐng)域中，數(shù)字通信尤為重要，它是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本節(jié)我們將簡單介紹數(shù)字通信的基本概念和系統(tǒng)模型。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,信息,信息是對客觀事物的運動狀態(tài)和存在形式的反映，可以是客觀事物的形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、性能等描述，也可以是客觀事物與外部之間的聯(lián)系。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形和圖像等。計算機及其外圍設(shè)備產(chǎn)生和交換的信息都是由二進制代碼表示的字母、數(shù)字或控制符號的組合。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是傳遞信息的實體，是信息的一種表現(xiàn)形式。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。其中，用于描述連續(xù)變化量的數(shù)據(jù)稱為模擬數(shù)據(jù)，如聲音、溫度等；用于描述不連續(xù)變化量的數(shù)據(jù)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如文本信息、整數(shù)等。,提示,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),信號,信號是攜帶信息的介質(zhì)，是數(shù)據(jù)的一種電磁編碼。信號一般以時間為自變量，以表示信息（或數(shù)據(jù)）的某個參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號按其因變量的取值是否連續(xù)可分為模擬信號和數(shù)字信號。,（a）模擬信號圖2-1模擬信號和數(shù)字信號,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),（b）數(shù)字信號圖2-1模擬信號和數(shù)字信號,雖然模擬信號與數(shù)字信號有著明顯的差別，但它們在一定條件下也是可以相互轉(zhuǎn)化的。模擬信號可以通過采樣、量化、編碼等步驟變成數(shù)字信號，而數(shù)字信號也可以通過解碼、平滑等步驟變換為模擬信號。信息、數(shù)據(jù)和信號三者的關(guān)系是：信息一般用數(shù)據(jù)來表示，而數(shù)據(jù)通常需要轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栠M行傳輸。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成,信息的傳遞是通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來實現(xiàn)的，一個完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般由信源、信號變換器、通信信道、信宿等構(gòu)成，如圖2-2所示。,圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型,.,信源就是信息的產(chǎn)生和發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的人或設(shè)備。信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的人或設(shè)備。大部分信源和信宿設(shè)備都是計算機或其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DataTerminalEquipment，DTE）。,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),通信信道是傳送信號的一條通路，由傳輸線路和傳輸設(shè)備組成。同一個傳輸介質(zhì)上可以同時存在多條信號通路，即一條傳輸線路上可以有多個通信信道。信道類型是由所傳輸?shù)男盘枦Q定的，用來傳輸模擬信號的信道稱為模擬信道，用來傳輸數(shù)字信號的信道稱為數(shù)字信道。,.,信號變換器的作用是將信源發(fā)出的數(shù)據(jù)變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘枺驅(qū)⑿诺郎蟼鱽淼男盘栕儞Q成可供信宿接收的數(shù)據(jù)。發(fā)送端的信號變換器可以是編碼器或調(diào)制器，接收端的信號變換器相對應(yīng)的就是譯碼器或解調(diào)器。,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),信號在傳輸過程中受到的干擾稱為噪聲。噪聲可能來自外部，也可能由信號傳輸過程本身產(chǎn)生。噪聲雖然不算嚴(yán)格意義上的通信系統(tǒng)組成部分，但噪聲過大將影響被傳送的信號的真實性或正確性。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),描述數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞，往往需要運用信道帶寬、比特率、波特率、信道容量和誤碼率等技術(shù)指標(biāo)。,信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差。例如，若某通信線路可以不失真地傳送2MHz10MHz的信號，則該通信線路的信道帶寬為8MHz。,.,波特率又稱作波形速率或調(diào)制速率。它是指數(shù)據(jù)傳輸過程中，在線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)。其單位是波特，記作baud。設(shè)一個波形的持續(xù)周期為T，則波特率B可按下式計算：B=1/T（baud）,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),比特率又稱數(shù)據(jù)傳輸速率，是指數(shù)字信號的傳輸速率，用每秒鐘所傳輸?shù)亩M制代碼的有效位數(shù)表示，單位為比特/秒（記作b/s或bps）。比特率S可按下式計算：S=Blog2N（bps）式中B是波特率，N是一個波形代表的有效狀態(tài)數(shù)。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),提示,信道容量一般是指物理信道能夠傳輸信息的最大能力，它的大小由信道的帶寬、可使用的時間、傳輸速率以及信道質(zhì)量（即信號功率與干擾功率之比）等因素決定。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),誤碼率，也稱出錯率，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的重要指標(biāo)。誤碼率等于傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例。在計算機網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字信號誤碼率低于10-6。,信號在信道中的傳輸，從信源到信宿需要一定的時間，這個時間叫做傳播延遲（也叫時延）。傳播延遲與信源和信宿間的距離有關(guān)，也與具體的通信信道中的信號傳播速度有關(guān)。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),在信道中，信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（Signal-to-NoiseRatio）。如果用S表示信號功率，用N表示噪聲功率，則信噪比應(yīng)被表示為S/N。在實際傳輸中，更多地使用10lg10（S/N）來表示信噪比，單位是分貝（dB）。對于S/N等于10的信道，則稱其信噪比為10dB；同樣的道理，如果信道的S/N等于100，則稱其信噪比為20dB；以此類推。一般來說，信噪比越大，說明混在信號里的噪聲越小，因此信噪比應(yīng)該越高越好。,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,設(shè)計一個通信系統(tǒng)時，首先要確定的是采用串行通信方式，還是采用并行通信方式。采用串行通信方式只需要在收發(fā)雙方之間建立一條通信信道；采用并行通信方式時，收發(fā)雙方之間必須建立多條并行的通信信道。信號在通信信道上的傳輸是有方向的，根據(jù)數(shù)據(jù)在某一時間信息傳輸?shù)姆较蚝吞攸c，數(shù)據(jù)通信方式可分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,2.2.1并行傳輸與串行傳輸,數(shù)據(jù)的傳輸方式有并行傳輸和串行傳輸兩種。,.,并行傳輸,2.2數(shù)據(jù)通信方式,（a）圖2-3并行傳輸與串行傳輸,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,（b）圖2-3并行傳輸與串行傳輸,并行傳輸?shù)乃俾矢?，但傳輸線路和設(shè)備都需要增加若干倍，一般用于短距離并要求快速傳輸?shù)牡胤?。串行傳輸可以?jié)省線路和設(shè)備，利于遠(yuǎn)程傳輸，所以廣泛用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸中，通信網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸都是以串行方式進行的。,串行傳輸,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,2.2.2單工、半雙工和全雙工通信,根據(jù)信號在信道上的傳輸方向，數(shù)據(jù)通信分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,單工通信,單工通信又稱為單向通信。在單工通信中，數(shù)據(jù)信號固定地從發(fā)送端傳送到接收端，即信息流僅沿一個方向流動，如圖2-4所示。如無線電廣播采用的就是單工通信。,圖2-4單工通信,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,半雙工通信,半雙工通信又稱為雙向交替通信。在半雙工通信中，數(shù)據(jù)信號可雙向傳送，但不能在兩個方向上同時進行。通信雙方都具有發(fā)送器和接收器，但在同一時刻信道只能容納一個方向的信息傳輸，如圖2-5所示。例如，無線電對講機采用的就是半雙工通信，當(dāng)甲方講話時，乙方無法講話；等甲方講完后，乙方才能開始講話。,圖2-5半雙工通信,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,全雙工通信,全雙工通信又稱為雙向同時通信。在全雙工通信中，同一時刻雙方能在兩個方向上傳輸數(shù)據(jù)信息，它相當(dāng)于把兩個相反方向的單工通信方式組合起來，如圖2-6所示。例如，打電話時，雙方可以同時講話。全雙工通信效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。,圖2-6全雙工通信,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),2.3.1數(shù)據(jù)傳輸同步方式,當(dāng)發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，收發(fā)雙方要同步處理數(shù)據(jù)。所謂同步，就是指接收端按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的重復(fù)頻率以及起止時間來接收數(shù)據(jù)，也就是通信雙方在發(fā)、收時間上必須保持一致；否則，數(shù)據(jù)傳輸就會發(fā)生丟包或重復(fù)讀取等錯誤。根據(jù)通信雙方協(xié)調(diào)方式不同，同步方式有兩種：異步傳輸和同步傳輸。,.,異步傳輸,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),異步傳輸又稱為起止式傳輸。發(fā)送端可以在任何時刻向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，且將每個字符（58位）作為一個獨立的整體進行發(fā)送，字符間的間隔時間可以任意變化。為了便于接收端識別這些字符，發(fā)送端需要在每個字符的前后分別加上一位或多位信息作為它的起始位和停止位，如圖2-7（a）所示。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),如圖2-7（b）所示，如果傳送的字符由7位二進制位組成，那么在其前后各附加起始位和停止位，甚至還有校驗位，其字符長度將達(dá)10位。很顯然，由于輔助位多，這種同步方式傳輸效率較低，適用于低速通信。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),同步傳輸,同步傳輸要求數(shù)據(jù)的發(fā)送端和接收端始終保持時鐘同步。同步傳輸具體又分為面向字符的同步和面向位的同步，如圖2-8所示。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),在同步傳輸中將整個字符組作為一個單位進行傳送，且附加位比較少，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。這種方式一般用于高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。但是要求收發(fā)雙方的時鐘嚴(yán)格同步，加重了數(shù)據(jù)通信設(shè)備的負(fù)擔(dān)。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中出現(xiàn)與同步字符（或同步字節(jié)）相同的數(shù)據(jù)，則需要額外的技術(shù)來解決；如果一次傳輸有錯，則需要將該次傳輸?shù)恼麄€數(shù)據(jù)塊進行重傳。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),2.3.2數(shù)字信號的傳輸技術(shù),在數(shù)據(jù)通信中，計算機等產(chǎn)生的信號是二進制數(shù)字信號，即“1”和“0”。若要在相應(yīng)的信道中傳輸，需轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)臄?shù)字信號或模擬信號。數(shù)字信號在信道中的傳輸技術(shù)分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩類。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),基帶傳輸,由計算機等直接發(fā)出的數(shù)字信號是一連串矩形電脈沖信號，包含直流、低頻和高頻等多種成分。在其頻譜中，從零頻開始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡稱為基帶。在線路上直接傳輸數(shù)字基帶信號就稱為基帶傳輸?；鶐鬏斨校l(fā)送端需要用編碼器對數(shù)字信號進行編碼，然后在接收端由譯碼器進行解碼才能恢復(fù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，常采用以下三種編碼方法。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-9常用二進制編碼方法,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-9常用二進制編碼方法,這種編碼的優(yōu)點是收發(fā)雙方可以根據(jù)自帶的“時鐘”信號來保持同步，無須專門傳遞同步信號的線路，因此這種編碼方法通常用于局域網(wǎng)傳輸。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-9常用二進制編碼方法,基帶傳輸是一種最簡單的傳輸方式，它抗干擾能力強、成本低，但是由于基帶信號含有從直流到高頻的頻率特性，傳輸時必須占用整個信道，因此通信信道利用率低。另外，基帶傳輸信號衰減嚴(yán)重，傳輸?shù)木嚯x受到限制，因此常用于局域網(wǎng)。,.,頻帶傳輸,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),在實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信時，最經(jīng)常使用的仍然是普通的電話線。電話信道的帶寬為3.1kHz，只適用于傳輸音頻范圍300Hz3400Hz的模擬信號，不適用于直接傳輸頻帶很寬而且又集中在低頻段的數(shù)字基帶信號。因此必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號進行傳輸。一般采用的方法是發(fā)送端在音頻范圍選擇某一頻率的正（余）弦波作為載波，用它寄載所要傳輸?shù)臄?shù)字信號，通過電話信道將其送至接收端；在接收端再將數(shù)字信號從載波上分離出來，恢復(fù)為原來的數(shù)字信號波形。這種利用模擬信道實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸?shù)姆椒ǚQ為頻帶傳輸。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-10頻帶傳輸,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),知識庫,調(diào)制解調(diào)器（Modem），俗稱“貓”，是在發(fā)送端通過調(diào)制將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，而在接收端通過解調(diào)再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的一種裝置。Modem有各種各樣的分類方法，例如按照接入Internet的方式不同，可將Modem分為撥號Modem和專線Modem；又例如按照接口類型不同，可將Modem分為外置Modem、內(nèi)置Modem、PC卡式移動Modem等。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，載波信號可以表示為：,其中，振幅A、角頻率、相位是載波信號的三個可變參量，它們是正弦波的控制參數(shù)，也稱為“調(diào)制參數(shù)”，它們的變化將對正弦載波的波形產(chǎn)生影響。為此，我們可以通過改變這三個參量來實現(xiàn)對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號的編碼。,ASK方式是指載波的幅度A隨發(fā)送的數(shù)字信號而變化，以不同振幅表示二進制數(shù)字“1”和“0”，如圖2-11（a）所示。這種方法實現(xiàn)簡單，但抗干擾能力差，調(diào)制效率低。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-11數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),FSK方式是指用兩個靠近載波頻率的不同頻率1和2分別表示二進制數(shù)字“1”和“0”，如圖2-11（b）所示。移頻鍵控的電路簡單，抗干擾能力強，但頻帶的利用率低。,PSK方式只是以載波的相位變化來表示數(shù)據(jù)。在二相制情況下，二進制數(shù)字“0”和“1”分別用不同相位載波信號波形表示，如圖2-11（c）和圖2-11（d）所示。PSK電路實現(xiàn)較為復(fù)雜。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),知識庫,模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼是將連續(xù)的信號波形用有限個離散（不連續(xù)）的值近似代替的過程，其中最常用的方法就是脈沖編碼調(diào)制（PCM）技術(shù)，簡稱脈碼調(diào)制。PCM一般通過采樣、量化和編碼3個步驟實現(xiàn)。（1）采樣：將原信號波形的時間坐標(biāo)按照固定的時間間隔離散化，以模擬數(shù)據(jù)的最大值（或平均值）作為樣本，代替模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間的值。（2）量化：量化是指對采樣得到的樣本值按量化分級并取整。（3）編碼：將量化取整的樣本值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進制編碼。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),2.3.3多路復(fù)用技術(shù),在同一介質(zhì)上，同時傳輸多個有限帶寬信號的方法，被稱為多路復(fù)用（Multiplexing）。將多路復(fù)用技術(shù)引入通信系統(tǒng)，目的是充分利用通信線路的帶寬，提高通信介質(zhì)利用率。多路復(fù)用技術(shù)可以分為頻分多路復(fù)用、時分多路復(fù)用、波分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用等多種形式，最常用的是頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用。,頻分多路復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）,任何信號只占據(jù)一個寬度有限的頻率，而信道可被利用的頻率要比一個信號的頻率寬得多，因而可以利用頻率分割的方式來實現(xiàn)信道的多路復(fù)用。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-12頻分多路復(fù)用的電話系統(tǒng),.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),所有電話信號的頻帶本來都是一樣的，即標(biāo)準(zhǔn)頻帶0.3KHz3.4KHz。利用頻率變換，使每路電話信號占有4KHz的帶寬，然后將三路電話信號搬到頻段的不同位置，就形成了一個帶寬為12KHz的頻分多路復(fù)用信號。當(dāng)信號到達(dá)接收端后，接收端就可以將各路電話信號用濾波器區(qū)分開。由此可見，信道的帶寬越大，容納的電話路數(shù)就會越多。隨著通信信道質(zhì)量的提高，在一個信道上同時傳送的電話路數(shù)會越來越多。頻分多路復(fù)用主要用于寬帶模擬線路中，最典型的是有線電視系統(tǒng)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),時分多路復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）,時分復(fù)用是利用時間分隔方式來實現(xiàn)多路復(fù)用的，它將一個傳送周期劃分為多個時間間隔，讓多路信號分別在不同的時間間隔內(nèi)傳送。對于數(shù)字通信系統(tǒng)主干網(wǎng)的復(fù)用采用的就是時分多路復(fù)用技術(shù)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-13數(shù)字電話系統(tǒng)的基群采樣周期,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),表2-1T1和E1系列多路復(fù)用標(biāo)準(zhǔn),.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),波分多路復(fù)用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）,波分多路復(fù)用技術(shù)是頻率分割技術(shù)在光纖媒體中的應(yīng)用，主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)中。所謂波分多路復(fù)用是指在一根光纖上能同時傳送多個波長不同的光載波的復(fù)用技術(shù)，它實質(zhì)上是利用了光具有不同波長的特征。WDM技術(shù)的原理與FDM十分類似，不同的是它利用波分復(fù)用設(shè)備將不同信道的信號調(diào)制成不同波長的光，并復(fù)用到光纖信道上；在接收端，又采用波分設(shè)備分離不同波長的光。用于波分復(fù)用的設(shè)備，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端分別稱為分波器和合波器。WDM技術(shù)使得光纖的傳輸能力成倍增加，也可以利用不同波長沿不同方向傳輸來實現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸。除WDM外，還有光頻分多路復(fù)用（OFDM）、密集波分多路復(fù)用（DWDM）、光時分多路復(fù)用（OTDM）、光碼分多路服用（OCDM）技術(shù)等。光纖的密集波分技術(shù)可極大地增加光纖信道的數(shù)量，從而充分利用光纖的潛在帶寬，是今后計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的重要技術(shù)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),碼分多路復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）,CDM技術(shù)是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術(shù)，它的實現(xiàn)基礎(chǔ)是微波擴頻通信。擴頻通信的特征是使用比發(fā)送的數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機碼對載荷數(shù)據(jù)的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶低功率頻譜密度的信號來發(fā)射。CDM利用擴頻通信中不同碼型的擴頻碼之間的相關(guān)性為每個用戶分配一個擴頻編碼，以區(qū)別不同的用戶信號。發(fā)送端可用不同的擴頻編碼，分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收端進行相應(yīng)的解碼就可得到不同發(fā)送端送來的數(shù)據(jù)。CDM的特點是頻率和時間資源均為共享。因此，在頻率和時間資源緊缺的情況下，CDM技術(shù)將獨具魅力，這也是CDM受到人們普遍關(guān)注的原因。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),提示,FDM或WDM技術(shù)是以頻段的不同來區(qū)分地址的，其特點是獨占頻段而共享時間。TDM則是共享頻段而獨占時間，相當(dāng)于在同一頻段內(nèi)不同的相位上發(fā)送和接收信息，而頻率資源共享。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),在實際網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通常采用部分連接的方式，不相鄰節(jié)點之間的通信只能通過中轉(zhuǎn)節(jié)點的轉(zhuǎn)接來實現(xiàn)。這些中轉(zhuǎn)的節(jié)點稱為交換節(jié)點，它們并不處理流經(jīng)的數(shù)據(jù)，只是簡單地將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳送給另一個節(jié)點，直至到達(dá)目的地。數(shù)據(jù)交換技術(shù)就是用來解決資源子網(wǎng)中的節(jié)點如何通過通信子網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換問題的。通常使用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)有3種：電路（線路）交換、報文交換和分組交換。,2.4.1電路交換,在電話系統(tǒng)中，當(dāng)用戶進行撥號時，電話系統(tǒng)中的交換機（TelephoneSwitch）在呼叫者的電話與接收者的電話之間建立了一條實際的物理線路，通話便建立起來；此后兩端的電話一直使用該專用線路，直到通話結(jié)束才能拆除該線路。電話系統(tǒng)中用到的這種交換方式叫做電路交換（CircuitSwitching）技術(shù)。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),電路交換技術(shù)的通信過程包括線路建立、數(shù)據(jù)傳輸和線路釋放3個過程。在數(shù)據(jù)開始傳輸之前，呼叫信號必須經(jīng)過若干個交換機，得到各交換機的認(rèn)可，并最終傳到被呼叫方。這個過程常常需要10秒甚至更長的時間。對于許多應(yīng)用（如商店信用卡確認(rèn)）來說，過長的電路建立時間是不合適的。另外，在電路交換系統(tǒng)中，物理線路的帶寬是預(yù)先分配好的。對于已經(jīng)預(yù)先分配好的線路，即使通信雙方都沒有數(shù)據(jù)要交換，線路帶寬也不能為其他用戶所使用，從而造成帶寬的浪費。雖然電路交換技術(shù)存在上述缺點，但它有兩個明顯的優(yōu)點，第一是傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號的傳播延遲，因為一旦建立物理連接，便不再需要交換開銷；第二是一旦線路建立，通信雙方便獨享該物理線路，不會與其他通信發(fā)生沖突。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.2報文交換,報文交換（MessageSwitching）屬于存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換，事先并不建立物理電路，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，它將要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)做一個整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報文存儲起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換設(shè)備，如此循環(huán)往復(fù)直至將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。采用這種技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)就是存儲轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在報文交換中，一般不限制報文的大小，這就要求網(wǎng)絡(luò)中的各個中間節(jié)點必須使用磁盤等外設(shè)來緩存較大的數(shù)據(jù)塊。同時某一塊數(shù)據(jù)可能會長時間占用線路，導(dǎo)致報文在中間結(jié)點的延遲非常大（一個報文在每個節(jié)點的延遲時間等于接收整個報文的時間加上該報文在結(jié)點等待輸出線路所需的排隊延遲時間），這使得報文交換不適合交互式數(shù)據(jù)通信。為了解決上述問題又引入了分組交換技術(shù)。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.3分組交換,分組交換（PacketSwitching）又稱為包交換，是報文交換技術(shù)的改進，與報文交換同屬于存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換。在分組交換中，用戶的數(shù)據(jù)被劃分成一個個大小相同的分組（packet），這些分組被稱為“包”。這些“包”可以被緩存在交換設(shè)備的內(nèi)存而不是磁盤中，通過不同的線路到達(dá)同一目的地。由于分組交換能夠保證任何用戶都不能長時間獨占傳輸線路，因而它非常適合于交互式通信。在分組交換中，根據(jù)傳輸控制協(xié)議和傳輸路徑不同，可將其分為兩種方式：數(shù)據(jù)報分組交換和虛電路分組交換。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),數(shù)據(jù)報分組交換,在該方式中，每個數(shù)據(jù)分組又稱為數(shù)據(jù)報。發(fā)送方將數(shù)據(jù)報按順序發(fā)送，每個數(shù)據(jù)報在傳輸過程中按照不同的路徑到達(dá)目的地，因此接收方接到的數(shù)據(jù)報的順序與發(fā)送順序是不同的，接收方還需要按照報文的分組順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)報組合成完整的數(shù)據(jù)。,虛電路分組交換,虛電路方式是將數(shù)據(jù)報方式與電路交換方式結(jié)合起來，在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，首先在發(fā)送方和接收方之間建立一條通路。通路建立后，數(shù)據(jù)分組將依次沿此路徑進行傳輸。因此，接收方接到的數(shù)據(jù)分組的順序與發(fā)送順序是相同的。但是與電路交換不同的是，虛電路方式建立的通路不是一條專用的物理線路，而只是一條路徑，因此被稱為“虛電路”。數(shù)據(jù)分組經(jīng)過時，路徑中的每個結(jié)點還是需要存儲數(shù)據(jù)并等待列隊輸出。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.4三種交換技術(shù)的比較,電路交換技術(shù)、報文交換技術(shù)和分組交換技術(shù)的比較如圖2-14所示。,（a）電路交換（b）報文交換（c）分組交換圖2-14三種交換技術(shù)的比較,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),比較圖2-14（b）和圖2-14（c），可以看到：在具有多個分組的報文中，分組交換中的中間交換設(shè)備在接收第二個分組之前，就可以轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)接收到的第一個分組，即各個分組可以同時在各個結(jié)點對之間傳送，這樣就減少了傳輸延遲，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。分組交換除吞吐量較高外，還提供了一定程度的差錯檢測和代碼轉(zhuǎn)換能力。因此，計算機網(wǎng)絡(luò)常常使用分組交換技術(shù)，偶爾才使用電路交換技術(shù)，但決不會使用報文交換技術(shù)。當(dāng)然，分組交換也存在許多問題，比如擁塞、報文分片和重組。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),電路交換和分組交換兩種技術(shù)有許多不同之處，主要體現(xiàn)在以下3個方面：,信道帶寬的分配方式不同,電路交換中信道帶寬是靜態(tài)分配的，而分組交換中信道帶寬是動態(tài)分配的。在電路交換中已分配的信道帶寬未使用時都會被浪費掉。而在分組交換中，這些未使用的信道帶寬可以被其他分組所利用，從而提高了信道的利用率。,收發(fā)雙方的傳輸要求不同,電路交換是完全透明的，發(fā)送方和接收方可以使用物理線路支持范圍內(nèi)的任何速率、任意幀格式來進行數(shù)據(jù)通信。而在分組交換中，發(fā)送方和接收方必須按一定的數(shù)據(jù)速率和幀格式進行通信。,計費方法不同,在電路交換中，通信雙方是獨占信道帶寬的，因此通信費用取決于通話時間和距離，而與通話量無關(guān)。而在分組交換中，通信費用主要按通信流量（如字節(jié)數(shù)）來計算，適當(dāng)考慮通話時間和距離。因特網(wǎng)電話（InternetPhone）就是使用分組交換技術(shù)的一種新型通信方式，它的通話費遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電話。,.,2.5差錯控制技術(shù),數(shù)據(jù)在信道上傳輸?shù)倪^程中，由于線路熱噪聲的影響、信號的衰減、相鄰線路間的串?dāng)_和外界的干擾等各種原因，不可避免地會造成接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，這種現(xiàn)象稱為傳輸差錯，簡稱差錯。,2.5.1產(chǎn)生差錯的原因,差錯主要是由外界的干擾引起的。外界的干擾也稱為噪聲干擾，噪聲主要有熱噪聲和沖擊噪聲兩種。（1）熱噪聲是傳輸電路中的電子熱運動產(chǎn)生的，它的特點是：持續(xù)存在，幅值較小，幅度較均勻且與頻率無關(guān)，但頻帶很寬，具有隨機性。由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯。,.,2.5差錯控制技術(shù),（2）沖擊噪聲是由外界干擾造成的。與熱噪聲相比，沖擊噪聲的幅度很大，持續(xù)時間短。這類噪聲可以搏擊相鄰的多位數(shù)據(jù)位，從而導(dǎo)致更多的差錯。沖擊噪聲是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中引起傳輸差錯的主要原因。由沖擊噪聲引起的傳輸差錯是突發(fā)差錯。在通信過程中產(chǎn)生的差錯是由隨機差錯和突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。此外，信號的幅度衰減、傳播的速率改變、相鄰兩通條線路的串音等因素也會引起傳輸差錯。,.,2.5差錯控制技術(shù),要提高傳輸質(zhì)量，一是要改善傳輸信道的傳輸特性；二是采取差錯控制技術(shù)，檢測和糾正數(shù)據(jù)通信中可能出現(xiàn)的差錯，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。最常用的差錯控制方法是差錯控制編碼，即在發(fā)送的報文中附加校驗碼，接收方檢測到有差錯的報文后進行糾錯。常用的校驗碼有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余碼。,2.5.2差錯控制編碼,.,2.5差錯控制技術(shù),奇偶校驗碼,奇偶校驗碼是最簡單的校驗碼，其編碼規(guī)則是：先將要傳送的數(shù)據(jù)碼元分組，并在每組數(shù)據(jù)后面附加一位冗余位，即校驗位，使分組中包括冗余位在內(nèi)的數(shù)據(jù)碼元中“1”的個數(shù)保持為奇數(shù)（奇校驗）或偶數(shù)（偶校驗）。在接收端按照同樣的規(guī)則進行檢查，只有“1”的個數(shù)仍符合原定的規(guī)則才認(rèn)為傳輸正確，否則認(rèn)為傳輸出錯。例如，傳輸數(shù)據(jù)為“1010010”，采用奇校驗時附加位為“0”，因此傳輸數(shù)據(jù)變?yōu)椤?0100100”。如果接收端收到的數(shù)據(jù)中有一位出錯（如10110100），此時奇校驗就可以檢查出錯誤。但是若接收到收到的數(shù)據(jù)中有兩位出錯（如01100100），此時奇校驗就無法檢查出錯誤。因此，奇偶校驗一般只能用于通信要求較低的環(huán)境，且只能檢測錯誤，無法確認(rèn)錯誤位置及糾正錯誤。在實際數(shù)據(jù)傳輸中，所采用的奇偶校驗碼分為垂直奇偶校驗、水平奇偶校驗和水平垂直奇偶校驗3種。,.,2.5差錯控制技術(shù),循環(huán)冗余碼（CyclicRedundancyCode，CRC）,循環(huán)冗余碼（CyclicRedundancyCode，CRC），又稱為多項式碼，是使用最廣泛且檢錯能力很強的一種檢錯碼。CRC的工作方法是在發(fā)送端產(chǎn)生一個冗余碼，附加在信息位后面一起發(fā)送到接收端，接收端收到信息后按照與發(fā)送端形成循環(huán)冗余碼同樣的算法進行校驗，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則通知發(fā)送端重發(fā)。CRC將整個數(shù)據(jù)塊當(dāng)做一串連續(xù)的二進制數(shù)據(jù)，把各位看成是一個多項式的系數(shù)，則該數(shù)據(jù)塊就和一個n次多項式M(X)相對應(yīng)。例如，信息碼1101表示為多項式為M(X)=X3+X2+X0。,.,2.5差錯控制技術(shù),CRC在發(fā)送端編碼和接收端校驗時，可以利用事先約定的生成多項式G(X)來計算冗余碼。CRC中使用的生成多項式由協(xié)議規(guī)定，目前國際標(biāo)準(zhǔn)中常用的G(X)包括