第3章 数据通信与通信网基础(2)

2. 信道最大传输速率 周期信号的 FOURIER 分析
一切周期信号都可以由正弦波、余弦波叠加而成。 这些波的频率由低到高分别为：f0，2f0， 3f0,…,分 别称为一次、二次、三次谐波。 所有这些频率构成 S(t) 的频谱。 f0 称为基频，f0＝1/T，T 称为信号周期。 周期信号的全部频率(及其相应的振幅和初始相位)称 为信号的频谱(spectrum)。 信号频率区间的大小，即频谱的宽度称为信号的带 宽(bandwidth)。
3.7.2 公用分组交换网
采用X.25协议，又叫X.25网 X.25是一种老式的数据通信服务，应用在线路质量不可靠 的模拟电话线路上，协议的很大部分集中在寻址、流量控 制、差错校验等一系列问题上，效率很低，速率一般小于 或等于60Kbps。 X.25协议是ITU－T制定的“在公用数据网上以分组方式工 作的数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备（DCE）之 间的接口”规范
1.
报文交换
在报文交换方式中，当一个站点要发送数据给另一个 站点时，不需要事先在两站之间建立专用通路。
报文交换的特点 线路利用率高 ，故障的影响小 不需要收、发两端同时处于激活状态 延迟时间长，不适合于对实时性要求强的传输，例如：会话 或实时转播等。 报文长度不限 对中间节点的要求高，例如：存储能力或处理 能力等。 通信不可靠、失序有时中间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；而且发出的报文不 按顺序到达目的。
Shannon (香农) 考虑了信道有热噪声的情况 设S/N 是信噪比，S是信号功率，N是噪声功率，则

C = W log2 ( 1 + S/N )
例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则
C=3000*log2(1+1000) ≈30Kbps
Nyquist公式和Shannel公式的比较

“流水线”方式：指数据帧只在完全到达接收节点后再 进行完整的差错校验，在传输中间节点位置时，几乎不 进行校验，尽量减少中间节点的处理时间，从而减少了 数据在中间节点的逗留时间。每个中间节点所做的额外 工作就是识别帧的开始和结尾。X.25的每个中间节点都 要进行繁琐的差错校验、流量控制等，这主要是因为它 的传输介质可靠性低所造成的。帧中继正是因为它的传 输介质差错率低才能够形成“流水线”工作方式。
3.5
数据交换技术
若H1与H5通信，则A与E分别称源结点与宿结点。通信
子网必须能为所有进网的数据流提供从源结点到宿结点的 通路，而实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式 动态地分配传输线路的资源。
3.5.1
电路交换(CIRCUIT SWITCHING)
帧中继网由三部分组成： 帧中继接入设备（FRAD）是具有帧中继接口的任何类型 的接入设备，如主机、分组交换机、路由器等 帧中继交换设备。有帧中继交换机、具有帧中继接口的分 组交换机及其他复用设备,为用户提供标准的帧中继接口。 公用帧中继业务。该业务是通过用户网络接口（UNI）提供 的， UNI的用户一侧是帧中继接入设备，用于本地用户设备接 入帧中继网络；另一侧是帧中继交换设备，用于帧中继接口与 骨干网之间的连接。
● D = 2W log2K 说明数据传输率D随信号编码级数增加而增加。 ● C = W log2(1+S/N) 说明信道能达到的最高传输速率。 对于一个物理信道而言，如果带宽、噪声、传输介质等已 经确定，那么按照香农定理，其最大传输速率（极限速率） 也就确定了，采用不同的调制技术，可以得到不同的数据 传输速率，但总是小于香农定义的极限速率。反过来，如 果噪声、传输介质、调制技术等都已确定，那么带宽越宽 （如从10MHz扩充到20MHz），意味着数据传输速率越 高。

3. 6
数据通信的主要性能指标
3.6.1 数据传输速率与信道带宽
1. 基本概念 信道带宽 带宽是指物理信道的频率宽度，即信道允许的最高频率 和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。 信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频 率，也就是限定了一个频率通带。 数据传输速率 指单位时间内信道上传送的信息量，单位为比特/秒 (bit/second)，记作bps。

C = 2W log2 M M = 2，C = 2W
信道容量--最大数据传输率
Nyquist 公式：用于理想信道
D= 2W log2 K
D = 传输率，单位b/s或bps W = 带宽，单位Hz K = 信号电平级数 M 2 4 8 16 32 64 最大数据率 (C) 6000 bps 12000 bps 18000 bps 24000 bps 30000 bps 36000 bps
[Return]
3.7
通信网简介
3.7.1 公用电话交换网（PSTN）
主要提供语音通信服务，同时提供数据通信业务 PSTN以模拟技术为基础的电路交换网络。通信时，借助于 modem实现。 PSTN的主要作用是通过程控交换机之间的连接，实现用户之 间的语音和数据通信。 按功能分类： PSTN由国际交换局、长途交换局、中心交换局、 端交换局和用户等层次 按系统构成分类：PSTN由 交换设备－不可缺少的，反映并决定PSTN的连接能力。 主要有程控交换机、计算机交换机 传输媒体－与交换机设备构成完整的传输系统 用户设备－指信源和信宿设备，是用户直接使用的 信令系统－实现用户间通信
高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使 用链路的带宽。 可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有 很好的生存性。
三种交换的比较
3.5.3 高速交换技术
帧中继交换 帧中继是一种减少结点处理时间的技术。帧中继以帧为单 位进行交换，又称为快速分组交换 异步传输模式 ATM 以信元为基本传输单位，主要采用了信元交换和异步时分 多路复用技术。 可以动态分配带宽，因此非常适合于输出突发性数据。

X.25的分组有两类，即控制分组和数据分组。虚电路的建 立、数据传输的流量控制、虚电路的拆除等，都要用到控 制分组。每个X.25分组由分组头部和分组的数据部分组成。
X.25由分组交换机、用户接入设备和传输线路组成。
3.7.3 数字数据网
数字数据网（DDN）是一种利用数字信道（光纤、数 字微波、卫星）和数字交叉复用技术组成的、以传输数字 信号为主的数字数据传输网络。DDN简称专线。我国的 DDN网叫china DDN，一般提供N＊64Kbps的数据速 率，目前最高为2Mbps，由DDN交换机和传输线路组成。
3.5.2
报文交换和报文分组交换
报文(message) ：站点一次性要发送的数据块，其长度不限 且可变。 工作原理：“存储-转发”。发送端将一个目的地址附加在报 文上发送出去；每个中间节点先接收整个报文，检查无误后 暂存这个报文（存储），然后根据报文的目的地址，选择一 条合适的空闲输出线路将整个报文传送给下一节点（转发）； 直至目的节点。

信道容量及 NYQUIST 原理
问题：一个模拟信号对脉冲载波进行PCM 调制，就 得到相应的数字信号，这是采样。从采样得到的数字 信号能否恢复原模拟信号？ 采样定理：设模拟信号的带宽是W，Ts是采样间隔 ，则当采样率 fs =1/Ts =2W时，由采样数据就可以 恢复原模拟信号。 话音频率<4000Hz，采样率 8000次/秒。 从采样定理可以得到信道带宽与信道的数据传输速率 的关系 — Nyquist 原理：设信号是M值，带宽为W 的信道传输的二进制数据的最大速率，即信道容量 为
3.7.4 帧中继网


帧中继是一种支持HDLC规程的宽带数据业务标准，由 X.25分组交换技术演变而来，与X.25相比，不再强调数 据传输的可靠性，而重于数据的快速传输，最大限度地 提高网络的吞吐量。帧中继是一种快速分组交换技术。 帧中继省略了X.25的分组层，以数据链路层的帧为基础 实现多条逻辑链路的统计复用和转换。
பைடு நூலகம்
帧中继的主要目标是为局域网互联提供合理的速率和 较低的价格。采用两种关键技术： 虚拟租用线路：所谓虚拟租用线路是与专线方式相对而 言的。例如一条总速率640KbPS的线路，如果以专线方 式平均地租给10个用户，每个用户最大速率为64KbpS， 这种方式有两个缺点，一是每个用户速率都不可以大于 64KbpS，二是不利于提高线路利用率。采用虚拟租用线 路的情况就不一样了，同样是640KbpS的线路租给十个 用户，每个用户的瞬时最大速率都可以达到640KbpS， 也就是说，在线路不是很忙的情况下，每个用户的速率 经常可以超过64KbPS，而每个用户承担的费用只相当 于64KbPS的平均值。
报文交换的主要缺点 每一个结点对报文数据的存储转发时间较长，传输一 份报文的 总时间并不比采用线路交换方式短，或许 会更长。因此，报文交换不适于传输实时的或交互式 业务，例如话音、传真飞终端与主机之间的会话业务 等。事实上，报文交换只是主要应用 于非计算机数 据业务 （ 如民用电报业务 ） 的通信网中，以及公 共数据网发展的初期。
例如： 话音级线路(3000 Hz) 的信道容量计算，如右 图所示。
Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。
非理想信道 实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。 a）衰减 信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 b）延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同， 在接收端会产生信号畸变。 c）噪声 热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。 串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线 脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干 扰造成（闪电、大功率电机启动等）。 噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以 破坏约560个比特（56Kbps）。
电路交换是面向连接的。 在线路交换和转接过程中，通信的双方首先必须通过网络 节点建立起专用的通信信道，即在两个网络节点之间建立 起实际的物理线路连接，然后，双方使用这条端到端的线 路进行数据传输。如电话通信系统。
利用电路交换进行通信 过程
电路建立 数据传输 拆除电路
特点
电路建立时间延迟大 线路利用率低 传输实时性、透明性好 适合于远程批处理信息传输和 实时性要求高的场合
3.6.2 误码率Pe
误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，也 称为“出错率”。误码率是衡量通信系统在正常的工作 情况下传输可靠性的指标
3.6.3 影响信道质量的其他因素
传输延迟
信息传输的延迟指数据从信源（源计算机）到信宿
（目的计算机）所花费的时间。信息传输的延迟时间主要 与发送和接收处理时间、电信号响应时间、中间转发时间 以及信道传输延迟时间有关。

2. 分组交换(packet switching)
分组交换将用户的大报文分成若干个报文分组(包)， 并以报文分组为单位在网络中传输。每一个报文分组均含 有数据和目的地址，同一个报文的不同分组可以在不同的 路径中传输，到达终点以后，再将它们重新组装成完整的 报文。
特点： 开销大（地址信息），适应少量数据的传送。 每个数据报（即分组）必须携带详细的地址信息。 通信不可靠、失序。 故障的影响小。数据报可以绕开故障区而到达目的地。
DDN主要用于点对点的局域网连接。 DDN本身是一种 数据传输网，支持任何通信协议。 DDN与X.25的区别： X.25是一个分组交换网，本身具有三层协议，用呼叫 建立虚电路，具有协议转换、速率匹配等功能，适用不同通 信规程、不同通信速率设备之间建立互连； X.25只在高层协 议上透明。 X.25按通信字节收费。 DDN不具备交换功能，利用DDN的主要方式是租用 专线， DDN是全部透明的网络，在速率大于64Kbps时采用 复用技术。 DDN按固定月租收费。 DDN具有支持数据、语 音、图像等信息传输，传输速率高、延时小、传输质量高、 信道利用率高、传输距离远等特点。