《计算机网络教学资料》第2章数据通信b.ppt

2.5 多路复用传输,传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样的，为了节省开销，应当充分利用传输介质的带宽。在一条介质上同时传送多于一路以上信号的传输方式，叫做该介质的多路复用。多路复用传输技术的基本原理如图所示。,多路复用基本原理示意图,复用类型,多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个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。频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)波分复用WDM(Wave Division Multiplexing)时分复用TDM(Time Division Multiplexing)同步时分复用异步时分复用统计时分复用,频分多路复用,1、频分多路复用的概念 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，整个传输频带被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频带以防相互干扰。,复用后的数据流,时隙号,1,2,3,1,D3,D2,D1,时间片1,2,时间片2,D1,时隙,D2,复用器,原理：将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流地给多个信号源使用，每个时间片被复用的一路信号占用。区别,时分多路复用,2.5.2 时分多路复用,(1)同步时分：指发送端的多台计算机通过一条线路向接收端发送数据时进行分时处理，它们以固定的时隙进行分配。,同步：复用器在所有时间为每个设备都分配完全一样的时间片，不管该设备有没有数据要传输；帧：时间片组成帧，若所有输入的数据速率相同，帧的时间片数等于输入线路数；交织：开关以恒定速率和固定顺序在设备间轮转比特、字节或任何其他数据单元,典型应用实例-数字传输系统,为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。,采用PCM调制技术，则每个话音信道的比特率是64kb/s。为每一个这样的低速信道敷设一条通信线路是太不划算了,所以在实用中要利用多路复用技术建立更高效的通信线路。,贝尔系统的T1载波,24路音频信道复用在一条通信线路上；每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器；编码器每秒取样8000次；24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制；每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193位；发送一帧需要125毫秒；T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。,图 贝尔系统的T1载波,T-1 Frame,图 多路复用到更高级的载波,32路电话复用一条2.048主干线路称为E1标准,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T=125 ms,15 个话路,15 个话路,存在问题,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,不能保证使用链路的全部容量如果有n条输入线路，帧内至少有n个固定的时间片，线路的速率必须是输入线路速率的n倍,时分多路复用,(2)异步时分：又被称为统计时分复用技术，它能动态地按需分配时间片，以避免每个帧中出现空闲时间片。,如果有n条输入线路，帧内至多需要有m个固定的时间片，其中m小于n。使用较低容量的链路支持与同步时分复用一样多的输入线路。,异步：分配时间片是不固定的所有输入线路的速率之和可能比通信容量大,寻址和额外开销,每个时间片必须携带一个地址（复用器添加）通知多路分解器如何为其中数据定向。地址通常只是由少数比特组成异步复用只有在时间片相对较大才有效。,密集波分多路复用,1、波分多路复用（WDM）采用的是波长分隔多路复用技术,在同一传输信道内传输多路不同波长的光信号。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程,而FDM应用于电模拟传输。,图 波分多路复用原理,密集波分多路复用,2、密集波分多路复用 密集波分多路复用(DWDM)是在WDM上发展起来的。最初，在一根光纤上只能传送两路光波信号，CIENA首先推出了16路信道系统，现在已能做到在一根光纤上复用80路甚至更多路数的光载波信号。,图 密集波分多路复用原理示意图,各种数据经过编码后在通信线路上进行传输，实现数据通信。数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接相连，但每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的，通常通过一个由多个结点组成的中间网络，把数据从源结点转发到目的结点，实现相互通信。因此，数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交换问题。电路交换 报文交换 分组交换 快速交换,2.6 交换技术,电路交换,1、电路交换概念 电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方式。电路交换是面向连接的服务。,电路交换,电路交换,2、电路交换的优点(1)连接建立后,数据以固定的传输率传输,传输延迟小。(2)由于物理线路被单独占用,故不可能发生冲突;(3)适用于实时大批量连续的数据传输。3、电路交换的缺点(1)对突发性通信不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。(2)连接建立后，由于线路是专用的，即使空闲，也不能 被其它设备使用造成一定的浪费。(3)对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。,报文交换,1、报文交换的工作原理(存储转发)报文交换类似于发送信件，是以报文为单位发送信息，不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元，每个报文由报头、正文和报尾3部分组成，报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传输。,报文交换,2、报文交换的优点 电路利用率高。报文可以分时共享交换设备间的线路。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。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。3、报文交换的缺点 数据的传输延迟比较长，且延迟时间长短不一，因此不适用于实时或交互式的通信系统。当报文传输错误时，必须重传整个报文。,分组交换,分组交换是报文交换的改进，因而又称为报文分组交换。它将报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限,有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。,图 报文分组的组成,报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的,因而结合了两者的优点,并且有数据报方式和虚电路方式。,报文,分组交换的主要特点,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,添加首部构成分组,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的传输单元,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,报文与分组,数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与分组（packet）两种方式；报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。,报文和报文分组结构,差错控制：由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；按照这种交换方式,数据包有固定的长度。因而交换结点只要在内存中开辟一个小的缓冲区就可以了。进行分组交换时,发送结点先要对传送的信息分组,对各个分组编号,加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。这个过程也叫信息的打包。,分组交换网的示意图,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,注意分组路径的变化！,路由器,主机,流量控制,注意分组的存储转发过程,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,路由器,主机,在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口,在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送的特点,比特流直达终点,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储转发,存储转发,存储转发,存储转发,时延(delay 或 latency),时延：一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,三种时延所产生的地方,分组交换,1、数据报方式（无连接）在数据报方式中子网接收主机A发送的报文经编址、拆卸后分成若干分组,设有3个分组P1、P2、P3。CA将根据子网当前的通路情况及通信量情况,将分组P1、P2、P3沿不同的子网路径发送出去,接收端将接收的分组重新组装成报文。这类服务没有建立链路和拆除链路的过程。,图 数据报方式交换过程,数据报方式datagram packet switching,数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。,Figure:Datagram packet switching,The header may also indicate a sequence number that the destination uses to verify that all the packets were received or to reorder them.因此每一个带有相同目的地址的数据报，并非全部沿着相同的路径，它们可以在网络目的节点不按顺序到达，目的结点或网络出口点负责对数据报进行重新排序。也有这种可能，数据报在网络上被破坏，那么由目的结点或网络出口点来检测数据报丢失，并决定如何恢复它。,Datagram packet switching:Multiple Channels,Line efficiency：线路效率Single node to node link can be shared by many packets over timePackets queued and transmitted as fast as possible,disadvantage,May cause indefinite delay time 不确定的时延一个给定的源和目的节点之间的各数据报可以沿不同的路径，也可以在沿途的节点中经历不同的时延，所以数据报的总时延可能变化很大。这种被称为“抖动”（jitter)的现象对于一些应用来说是不希望的。（例如在包括电话、语音和实时图象的应用中）,数据报工作方式的特点,同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,分组交换,2、虚电路方式（面向连接）虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥两种方法的优点,达到最佳的数据交换效果。与电路交换方式类似，虚电路方式在数据传输前也要建立一条传输通路，但这条通络是逻辑的而非物理的。虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不需要在发送和接收时清除连接。虚电路可以通过呼叫请求建立，并要赋予虚电路号。子网中的结点之间就是通过虚电路号将分组沿子网中的结点逐站传递。,Switch Virtual Circuit,在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；,42,Switched Virtual Circuit,一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；,Switched Virtual Circuit,通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,分组交换,由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。虚电路服务与数据报服务的主要区别如下表：,2.7 Interface:RS-232C,EIA是美国电子工业协会(Electronic Industries Association)英文名的缩写。EIA-RS-232C 接口是由 EIA 制定的一种串行物理接口标准，其作用是定义 DTE 设备和 DCE 设备间的接口。,DTE(Data Terminal Equipment)是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。DCE(Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。,两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子,DTE产生数据,并连同必要的控制字符一起传送给DCE。DCE将信号转化成适合于传输介质的形式并将它发送到网络中。当信号到达另一端时,将发生相反的过程。,DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连,两个DTE设备不需要互相协调,但是每个DTE设备必须与它所连接的DCE设备协调工作。,DTE,DCE,DCE,串行比特传输,信号线与控制线,用户环境,通信环境,用户设施,通信设施,DTE,信号线与控制线,用户设施,用户环境,DTE-DCE interface standard specifies the electrical and mechanical characteristics of the interconnections.RS-232-C,DTE-DCE interface standard,Characteristics of Interface,MechanicalConnection plugs ElectricalVoltage,timing,encodingFunctionalData,control,timing,groundingProceduralSequence of events,本章小结,本章小结,