计算机网络概论2.doc

Error! No text of specified style in document.第1章 计算机网络概论大纲要求：l 数据通信基础知识，包括数据信号、信道的基本概念，数据通信模型的构成，数据传输基础，数据编码的分类和基本原理，多路复用技术的基本原理和应用以及数据交换技术的基本原理和性能特点。l 计算机网络基础知识，包括计算机网络的概念、分类和构成，协议的概念，开放系统互连参考模型的结构及各层的功能，TCP/IP协议的概念及IP数据报的格式、IP地址、子网掩码和域名，双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输媒介的性能特点，中继器、网桥、路由器、网关、集线器、交换机等网络设备的主要功能与特点，PSTN、X.25、DDN、帧中继、ATM、xDSL、HFC、Cable Modem。1.1 数据通信基础1.1.1 考点辅导1.1.1.1 数据通信基本概念数据通信是指在两点或多点之间通过通信系统以某种数据形式进行信息交换的过程，可以把信息从某一处安全可靠地传送到另一处。它是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务，它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端和终端之间数据信息的传递。1. 数据信号数据可分为模拟数据与数字数据两种。在通信系统中，表示模拟数据的信号称作模拟信号，表示数字数据的信号称作数字信号，二者可以相互转化。模拟信号在时间和幅度取值上都是连续的，其电平随时间连续变化，如图1.1(a)所示。例如，语音是典型的模拟信号，其他由模拟传感器接收到的信号如温度、压力、流量等也是模拟信号。数字信号在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，它一般是由二进制代码0、1组成的数字序列，如图1.1(b)所示。例如，计算机中传送的是典型的数字信号。1 0 1 1 0 0 1 (a) 模拟信号 (b) 数字信号图1.1 模拟信号和数字信号传统的电话通信信道是传输音频的模拟信道，无法直接传输计算机中的数字信号。为了利用现有的模拟线路传输数字信号，必须将数字信号转化为模拟信号，将这一过程称作调制(Modulation)。在另一端，接收到的模拟信号要还原成数字信号，这个过程称作解调(Demodulation)。通常由于数据的传输是双向的，因此，每端都需要调制和解调，这种设备称作调制解调器(Modem)。模拟信号的数字化需要三个步骤：采样、量化和编码。采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流，这样得到的数字信号可以通过电缆、光纤、微波干线、卫星通道等数字线路传输，在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，经过滤波又恢复成原来的模拟信号。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制。2. 信道信息传输的必经之路称为“信道”。信道包括有线信道和无线信道。信道可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用于发送信号或数据的物理通路，由传输介质及有关设备组成。逻辑信道是指在物理信道的基础上，由节点内部或节点之间建立的连接来实现的通路。传输信道还可以从不同角度进行分类，如有模拟信道与数字信道之分，有专用线路和交换网线路之分，有有线信道和无线信道之分，有频分信道和时分信道之分等。3. 数据通信模型数据通信模型由3部分组成，即数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)、计算机系统和数据电路。数据终端设备通过数据电路与计算机系统相连。数据电路由传输信道和数据电路终接设备(Data Circuit Terminating Equipment，DCTE)组成。通信模型主要由信息源(信源)、信息传输媒体(信道)和信宿组成。在数据通信系统中信源与信宿均由数据终端设备和通信控制器组成，数据终端设备与计算机系统相连；信道由通信信道和数据通信设备(Data Communication Equipment，DCE)组成，如图1.2所示。图1.2 数据通信模型如果传输信道是模拟信道，DCTE的作用就是把DTE送来的数字信号变换为模拟信号再通过信道送往DTE，或者反过来，把信道送来的模拟信号变换成数字信号再通过信道送往DTE。如果信道是数字的，DCTE的作用就是实现信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给以及线路接续控制等。4. 数据通信方式根据数据电路的传输能力，数据通信可以有单工、半双工和全双工3种通信方式。(1)单工通信数据只能沿一个固定方向传输，即传输是单向的。(2)半双工通信允许数据在两个方向上进行传输，但两个方向的传输不能同时进行，即在某一时刻信息只能在一个方向上传输。 (3)全双工通信允许数据在两个方向上同时进行传输。这是计算机通信常用的方式，可大大提高数据传输效率。全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立接收和发送的能力。1.1.1.2 数据传输基础1. 数据传输方式按照不同的标准划分，数据的传输方式可以分为并行与串行、异步与同步等。1)并行传输与串行传输并行传输指的是数据以并行方式在多条并行信道上同时进行传输。常用的就是将构成一个字符代码的几位二进制码，分别在几个并行信道上进行传输。例如，采用8单位代码的字符，可以用8个信道并行传输。一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符的同步问题，不需要另加“起”、“止”信号或其他同步信号来实现收、发双方的字符同步，这是并行传输的一个主要优点。但是，并行传输必须有并行信道，这往往带来了设备上或实施条件上的限制，因此，实际应用受限。串行传输指的是数据流以串行方式，在一条信道上传输。一个字符的8个二进制代码，由高位到低位顺序排列，再接下一个字符的8位二进制码，这样串接起来形成串行数据流传输。串行传输只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一种传输方式。但是串行传输存在一个收、发双方如何保持码组或字符同步的问题，这个问题不解决，接收方就不能从接收到的数据流中正确地区分出一个个字符来，因而传输将失去意义。如何解决码组或字符的同步问题，目前有两种不同的解决办法，即异步传输方式和同步传输方式。2)异步传输与同步传输异步传输一般以字符为单位，不论所采用的字符代码长度为多少位，在发送每个字符代码时，字符代码前面均加上一个“起”信号(其长度规定为1个码元，极性为0，即空号的极性)；字符代码后面均加上一个“止”信号(其长度为1个或2个码元，极性皆为1，即与信号极性相同)。加上起、止信号的作用就是为了能区分串行传输的字符，也就是实现串行传输收、发双方码组或字符的同步。例如，用异步方式传送一个字符R(编码为1010010)的字码结构如图1.3所示。当不发送数据时，发送端连续地发送停止码1，接收端一旦发现有从1到0的跳变，便知有新的字符开始发送。接收端利用这个电平从高到低的跳变，启动定时机构按发送的速度顺序接收字符，一个字符发送结束后，发送端即发送停止码元，接收端一旦收到停止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。采用异步方式，每个字符都带有开始和停止的同步信息，开销大，效率低，速度慢，控制简单，如果有错，只需重发一个字符，常用于低速传输。同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的(即同步的)。接收端为了从收到的数据流中正确地区分出一个个信号码元，必须首先建立准确的时钟信号。数据的发送一般以组(或称帧)为单位，一组数据包含多个字符。收发之间的帧同步是通过传输特定的传输控制字符或同步序列来完成的，如图1.4所示。图1.3 异步传输图1.4 同步传输同步传输开销小，效率高，多用于字符信息块的高速传送。缺点是线路控制较复杂，如果数据中有一位错，就必须重新传输整个数据。2. 数据传输形式按照传输技术的不同，数据传输形式可以分为基带传输、频带传输和宽带传输三种形式。1)基带传输基带是指电信号所固有的基本频带。数字信号的基本频带是从零至若干兆赫，主要由传输速率决定。在数字传输中，不经频谱搬移直接传送基带信号时称为基带传输，这种数据传输系统就称为基带传输系统。2)频带传输所谓频带传输，就是把二进制信号经调制解调器调制交换成能在公用电话网中传输的音频信号，将音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音频信号解调变换成原来的二进制电信号。这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能够实现多路复用，从而提高了通信线路的利用率。3)宽带传输将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，称为宽带传输。一般来说，宽带传输与基带传输相比具有以下优点。l 能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途。l 一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加。l 宽带传输的距离比基带远，因基带直接传送数字信号，传输的速率愈高，传输的距离愈短。3. 数据传输速率数据传输速率主要涉及比特率、信道带宽、波特率、尼奎斯特定理、香农定理、误码率等。1)比特率比特率指单位时间内所传送的二进制码元(码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称，也常称作“位”或比特(bit)的有效位数，以每秒多少比特数计，即b/s(或bps)。计算公式：S=1/Tlog2N式中：T为一个数字脉冲信号的宽度或重复周期，单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。2)信道带宽信道带宽W=f2-f1，其中f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。为了使信号传输中的失真小些，信道要有足够的带宽。3)波特率波特率是指单位时间内传输的码元位数，以波特为单位，即Baud，通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。这里码元可以是二进制的，也可以是多进制的。计算公式：B=1/T式中：T为信号码元的宽度，单位为秒。比特率和波特率的关系如下面公式所示：S=Blog2N或B=S/log2N4)尼奎斯特定理1924年，亨利尼奎斯特(Harry Nyquist)就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特(Nyquist)定理(也译作奈奎斯特定理)。若信道带宽为W，则最大码元速率为：B=2W(Baud)尼奎斯特定理指定的信道容量也叫做尼奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定的。超过尼奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的，所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。 码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。一个码元携带的信息量n(比特)与码元的种类数N有如下关系：n=log2N即若码元取两个离散值，则一个码元携带1比特信息；若码元取4种离散值，则一个码元携带2比特信息。在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。如果把2比特编码为一个码元，则数据速率可成倍提高，即R=B log2N=2 Wlog2N (bps)式中：R表示数据速率，单位是位每秒(bit per second)，简写为bps或b/s。5)香农定理尼奎斯特定理是在无噪声的理想情况下的极限值。实际信道会受到各种噪声的干扰，因而远远达不到按尼奎斯特定理计算出的数据传送速率。香农的研究表明，有噪声信道的极限数据速率为C=W log2 (1+S/N)这个公式叫做香农(Shannon)定理，式中W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N叫做信噪比。由于在实际使用中S与N的比值太大，故常取其分贝数(dB)。分贝与信噪比的关系为dB=10 lgS/N例如当S/N=1000时，信噪比为30dB。这个公式与信号取的离散值个数无关，也就是说无论用什么方式调制，只要给定了信噪比，则单位时间内最大的信息传输量就确定了。例如，信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则最大数据速率为C=3000 log2(1+1000)30009.9730 000 bps这是极限值，只有理论上的意义。实际上在3000Hz带宽的电话线上数据速率能达到9600bps就很不错了。6)误码率误码率指信息传输的错误率，即已接收信息中错误比特数占总传输比特数的比例。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6。若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率公式为Pe=Ne/N式中：Ne为其中出错的位数；N为传输的数据总数。1.1.1.3 数据编码通信信道有两种类型模拟信道和数字信道。计算机数据在不同的信道中传输，要采用不同的编码方式。1. 数字数据的模拟信号编码将计算机中的数字数据变换成网络中的模拟信号，必须要进行调制，即进行频谱变换。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位。数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。将数字数据调制为模拟信号的基本方式有三种：调幅、调频和调相，如图1.5所示。1)调幅调幅(Amplitude Modulation，AM)即载波的振幅随着基带数字信号而变化，又称幅移键控(ASK)。在调幅(幅移键控)方式中，用载波的两个不同振幅来表示两个二进制值。例如，用振幅恒定的载波的存在表示一个二进制数字1，载波不存在表示一个二进制数字0，如图1.5(b)所示。其特点是实现容易，抗干扰能力差。2)调频调频(Frequency Modulation，FM)即载波的频率随着基带数字信号而变化，又称频移键控(FSK)。例如，用频率f1表示一个二进制数字1，频率f2表示一个二进制数字0，如图1.5(c)所示。其特点是实现容易，抗干扰能力强。3)调相调相(Phase Modulation，PM)即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，又称相移键控(PSK)。在调相方式(相移键控)中，数字0和1的载波起始相位不同。例如，可以用=0代表0，=180代表1，如图1.5(d)所示，这种方法称为两相调制；如果以为0、90、180、270，分别表示二进制数00、01、10、11，这种方法称为四相调制。每个调制时间间隔包含两个比特的信息，因此，使信息传输速率增加一倍。其特点是实现复杂，抗干扰能力强。图1.5 数字数据调制方式由PSK和ASK结合的相位幅度调制(PAM)，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。相位幅度调制，即采用相位调制和幅度调制结合的方法来提高传输速率(不提高调制速率)。它采用16个不同的相位和幅度电平，可以使1200b/s的Modem传送19 200b/s的数据信号。2. 数字数据编码在数字信道中传输计算机数据时，要对计算机中的数字信号重新编码并进行基带传输。对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。在基带传输中，数字信号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，如图1.6所示。1)不归零编码不归零编码(Non-Return-Zero，NRZ)，用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。不归零编码有单极型不归零编码和双极型不归零编码两种。单极型不归零编码，无电压表示0，恒定正电压表示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平，如图1.6(a)所示。双极型不归零编码，1码和0码都有电压，1为正电压，0为负电压，正负电压的幅度相等，判决门限为零电平，如图1.6(b)所示。2)曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester Encoding)，用电平的跳变表示二进制，电平由从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0，如图1.6(c)所示。3)差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding)，每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0，如图1.6(d)所示。图1.6 常用编码方案两种曼彻斯特编码的最大优点是将时钟和数据包含在信号数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起送给对方，所以这种编码也称为自同步码。但缺点也很明显，那就是编码效率低。例如，要传送10Mb/s的数据，需要20MHz的脉冲。曼彻斯特编码常用在以太网中，而差分曼彻斯特编码常用在令牌环网中。3. 模拟数据的数字信号编码将模拟数据编码为数字信号的最常见方法是脉冲编码调制，简称脉码调制(Pulse Code Modulation，PCM)。脉码调制是以采样定理为基础的。从数学上说明采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率等于或大于有效信号最高频率的两倍，则采样信息包含原信号的全部信息。再利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。采样定理表达公式：Fs2Fmax或Fs2Bs式中：Fs(即1/Ts)为采样频率；Fmax为原始信号的最高频率；Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽。PCM编码过程包括采样、量化和编码3个步骤，如图1.7所示。1)采样每隔一定的时间对连续模拟信号进行采样，得到的信号就成为一组“离散”的脉冲信号序列，这种方式称为脉冲幅值调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)。图1.7 PCM原理2)量化量化是一个分级过程，把采样所得到的PAM脉冲按量级比较，并且“取整”，这样脉冲序列就成为数字信号了。3)编码表示采样序列量化后的量化幅度，它用一定位数的二进制码表示。如果有N个量化级，那么，就应当有log2N位二进制数码。例如，声音数据频率一般在4000Hz以下，那么只要每秒8000次的采样就可以完整地表示声音信号的特征。目前，在语音数字化脉冲调制系统中，通常分为128个量级，即用7位二进制数码表示。PCM编码的数据率为80007=56kb/s。1.1.1.4 多路复用技术多路复用技术是把许多单个信号在一个信道上同时传输的技术。其主要目的是为了有效地利用带宽。多路复用通常分为频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多址复用和空分多址复用等技术。1. 频分多路复用频分多路复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)是将可用的传输频率范围分为多个较细的频带，每个细分的频带作为一个独立的信道分别分配给用户形成数据传输子通路，如图1.8(a)所示。频分复用的特点是：每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用，如图1.8(b)所示。频分多路复用适用于模拟信号的频分传输，主要用于电话和有线电视(CATV)系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用。为了防止干扰，各信道之间由保护频带隔离开，保护频带是频谱中不使用的部分。ADSL采用的就是频分多路复用技术。图1.8 频分多路复用技术2. 时分多路复用时分多路复用(Time Division Multiplexing，TDM)是以信道传输时间为分割对象，通过为多个信道分配互相不重叠的时间片的方法来实现多路复用。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，如图1.9所示。时分多路复用又分为同步时分复用(STDM)和异步时分复用(ATDM)。图1.9 时分多路复用技术1)同步时分复用同步时分复用是固定分配信道，在通信信道上形成一种时间上的逻辑子信道的通信媒体共享方式。同步时分复用的特点是：对信道进行固定的时隙分配，也就是将一帧中的各时隙以固定的方式分配给各路数字信号。在STDM方式中，时隙是预先分配给各终端的，而且是固定的。不论终端是否有数据要发送，都要占用一个时隙，而实际上不是所有终端在每个时隙都有数据输出，所以，同步时分复用的时隙利用率较低。2)异步时分复用异步时分复用是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂时停止发送数据时，不给它分配线路资源，线路的传输能力可用于为其他用户传输更多的数据。这种根据用户实际需要分配线路资源的方法也称为统计时分复用或智能时分复用。ATDM的每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可达到线路总的传输能力。在ATDM中，由于数据不是以固定顺序出现，所以接收端不知道应该将哪一个时隙内的数据送到哪一个用户。为了解决这个问题，ATDM在发送数据中加入了用户识别标记，以便使接收端的多路复用器按标记发送数据。异步时分复用克服了同步时分复用浪费时隙的缺点，能动态地按需分配时隙，避免出现空闲时隙。3. 波分多路复用波分多路复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)就是在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。4. 码分多址复用码分多址复用(Code Division Multiple Access，CDMA)是采用地址码、时间和频率共同区分信道的方式。其特征是每个用户具有特定的地址码，而地址码之间具有正交性，从而提高了资源的利用率。5. 空分多址复用空分多址复用(Space Division Multiple Access，SDMA)是将空间分割构成不同的信道，从而实现频率的重复使用，以达到信道增容的目的。1.1.1.5 数据交换技术数据交换技术主要包括电路交换、报文交换、分组交换和信元交换。1. 电路交换当用户要发送信息时，由源交换机根据信息要到达的目的地址，把线路连接到目的交换机，这个过程称为线路接续。线路接续是由所谓的联络信号经存储转发方式完成的，即根据用户号码或地址，经局间中继线传送给被叫交换机并转被叫用户。线路接通后，就形成了一条端对端的信息通路，在这条通路上双方即可进行通信。通信完毕后，由通信双方的某一方，向自己所属的交换机发出撤销线路的请求，交换机收到此信号后就将此线路撤销，以供别的用户呼叫时使用。电路交换工作过程如图1.10所示。图1.10 电路交换由于电路交换的接续路径是采用物理连接的，在传输电路接续后，控制电路就与信息传输无关，所以电路交换方式的主要优点是：数据传输可靠、迅速，不丢失且保持原来的序列。缺点是在有的环境下，电路空闲时的信道容量被浪费，而且数据传输阶段的持续时间不长的话，电路建立和拆除所用的时间也得不偿失。因此它适合于系统间要求高质量的大量数据传输的情况，其计费方法一般按照预定的带宽、距离和时间来计算。目前电路交换方式的数据通信网是利用现有电话网实现的，所以数据终端的接续控制等信号要做到与电话网兼容。2. 报文交换报文交换采用了存储转发的交换方式，其基本原理是用户之间进行数据传输时，主叫用户不需要先建立呼叫，而是先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机，如图1.11所示。由于每份报文的头部都含有被寻址用户的完整地址，所以每条路由不是固定分配给某一个用户，而是由多个用户进行统计复用。这种方法比起电路交换来有许多优点，如下所示。(1)线路效率较高。这是因为许多报文可以分时共享一条节点的通道。对于同样的通信容量来说，需要较少的传输能力。(2)不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。(3)在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接收某些呼叫，而在报文交换网络上，却仍然可以接收报文，但传送延迟会增加。(4)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。报文交换的主要缺点是，它不能满足实时或交互式的通信要求，经过网络的延迟相当长，而且有相当大的变化。因此，这种方式不能用于声音连接，也不适合于交互式终端到计算机的连接。有时节点收到过多的数据而不得不丢弃报文，并阻止了其他报文的传送，而且发出的报文不按顺序到达目的地。另外，报文交换中，若报文较长，需要较大容量的存储器，若将报文放到外存储器中去时，会造成响应时间过长，增加了网络延迟时间。图1.11 报文交换3. 分组交换分组交换也称为包交换，它也采用存储转发的交换方式，其工作原理是首先把来自用户的信息电文暂存于存储装置中，并划分为多个一定长度的分组，每个分组前边都加上固定格式的分组标题，用于指明该分组的发端地址、收端地址及分组序号等。以报文分组作为存储转发的单位，由于以报文分组作为存储转发的单位，因而分组在各交换节点之间传送比较灵活，交换节点不必等待整个报文的其他分组到齐，一个分组一个分组地转发。这样可以大大压缩节点所需的存储容量，也缩短了网络延时。另外，较短的报文分组比较长的报文可大大减少差错的产生，提高了传输的可靠性。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信，它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。分组交换目前通常有两种方法：数据报(Datagram)方式和虚电路(Virtual Circuit)方式。1)数据报方式在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的路由，把数据报按原样发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会在中途丢失。以数据报方式进行传送的整个过程中，不需要建立虚电路，但要为每个数据报做路由选择，如图1.12所示。图1.12 分组交换的数据报方法2)虚电路方式在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外，还包含一个虚电路标识符。在预先建立好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不需要进行路由选择。通信完毕后，由某一个站提交清除请求来结束这次连接。它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，如图1.13所示。图1.13 分组交换的虚电路方法虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路，但不像电路交换那样有一条专用通路。分组在每个节点上仍然需要缓冲，接着在线路上进行排队，等待输出。在分组交换方式中，由于能够以分组方式进行数据的暂存交换，经交换机处理后，很容易地实现不同速率、不同规程的终端间通信。分组交换主要具有以下特点。(1)线路利用率高。分组交换以虚电路的形式进行信道的多路复用，实现资源共享，可在一条物理线路上提供多条逻辑信道，极大地提高了线路的利用率。(2)不同种类的终端可以相互通信。数据以分组为单位在网络内存储转发，使不同速率终端、不同协议的设备经网络提供的协议变换功能后实现互相通信。(3)信息传输可靠性高。每个分组在网络中进行传输时，在节点交换机之间采用差错校验与重发的功能，因而在网络中传送的误码率大大降低。而且当网络内发生故障时，网络中的路由机制会使分组自动地选择一条新的路由以避开故障点，不会造成通信中断。(4)分组多路通信。由于每个分组都包含有控制信息，所以分组型终端可以同时与多个用户终端进行通信，可把同一信息发送到不同用户。4. 信元交换信元交换又称为异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)，它是在分组交换的基础上发展起来的一种传输模式，结合了电路交换和分组交换的优点，是一种面向连接的快速分组交换技术。在这一模式中，信息被组织成信元。因为包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现(这是ATM区别于其他传输模式的一个基本特征)，所以把这种传输模式称为异步传输。这里的“异步”不是指数字通信过程中的不同步，而是指不需要对发送方的信号按一定的步调(同步)进行发送。ATM信元是固定长度的分组，并使用空闲信元来填充信道，从而使信道被分为等长的时间小段。每个信元共有53个字节，分为两个部分。前面5个字节为信头，主要完成寻址功能；后面48个字节为信息段，用来装载来自不同用户、不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元后在网络中传递，最后在接收端恢复成所需格式。信元交换的主要特点是：该技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用了易于处理的固定信元格式，从而使传输时延减小，交换速率大大高于传统的数据网，适用于高速数据交换业务。5. 电路交换、报文交换和分组交换的比较电路交换、报文交换和分组交换三种数据交换技术的总结如下。(1)电路交换：在数据传送之前需要建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有，适用于连续传送大量数据，如图1.14(a)所示。(2)报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。在传送报文时，只占用一段通路；在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，这种方式不能满足实时通信的要求，如图1.14(b)所示。(3)分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需将分组重新组装成报文。这是网络中采用最广泛的一种交换技术，如图1.14(c)所示。三种数据交换方式各有其特点，对于实时性强的交互式传输，电路交换最合适，不宜用报文交换；对于网络中较轻的或间歇式负载，报文交换较合适；对于中等或稍重的负载，分组交换有较好的效果。图1.14 三种交换方式的比较1.1.2 典型例题分析例1 在两地之间通过卫星信道发送数据包，传播延迟是270ms，数据速率是50kb/s，数据长度是3000b，从开始发送到接收完成需要的时间是 (19) 。(2009年11月真题19)A50ms B330ms C500ms D600ms分析：总时间=数据传输时间+传输延迟=(3 / 50) 1000 + 270 = 330。答案：B例2 设信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则可达到的最大数据速率约为 (20) 。(2009年11月真题20)A30b/s B300b/s C3kb/s D30kb/s分析：由香农公式可知，在有噪声的情况下可达到的最大数据率为C=Wlog2(1+S/N)，其中W是信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N叫做信噪比。由于在实际使用中S与N的比值太大，故常取其分贝数(dB)。分贝与信噪比的关系为dB=10 log10S/N。题中信噪比为30dB，则S/N为1000。分别将W和S/N代入香农公式，可得C=3000 log2(1+1000)30009.9730 000 bps=30kb/s。答案：D例3 语音信道带宽为4000Hz，调制为4种码元，根据奈奎斯特定理，信道波特率为 (22) ，数据速率为 (23) 。(2009年5月真题22、23)(22) A4kBaud B8kBaud C16kBaud D32kBaud(23) A4kb/s B16kb/s C32kb/s D64kb/s分析：若信道带宽为W，则奈奎斯特定理指出，最大波特率(码元速率)为B=2W(Baud)。由题目知，语音信道带宽为4000Hz，则波特率为B=24k=8kBaud。设码元的种类数为N，则数据速率R=Blog2N=8klog24=16kb/s。答案：(22)B(23)B例4 空分多址技术将空间分割成不同的信道，从而实现频率重复使用。在下列通信实例中，使用空分多址技术的是 (24) 。(2009年5月真题24)A有线电话 B卫星通道 C局域网通信 D有线电视广播分析：空分多址技术将空间分割成不同的信道，从而实现频率重复使用，达到信道增容的目的。空分多址技术用于无线通信领域。有线电视广播采用的是频分多路复用技术。而通过有线电话使用ADSL上网，利用的仍然是频分多路复用技术。局域网通信则可以采用多种方式。答案：B例5 信元交换是ATM通信中使用的交换方式，下面有关信元交换的叙述中，错误的是 (33) 。(2009年5月真题33)A信元交换是一种无连接的通信方式B信元交换采用固定长度的数据包作为交换的基本单位C信元交换可以采用硬件电路进行数据转发D信元交换是一种采用统计时分多路复用技术进行数据传输的方式分析：信元交换又叫异步传输模式(ATM)，是一种面向连接的快速分组交换技术，它是通过建立虚电路来进行数据传输的。ATM作为B-ISDN的核心技术，特别适合高带宽和低时延应用。ATM技术的重要特征有信元传输、面向连接、统计时分多路复用和服务质量。ATM的基本传输单位是信元，信元是具有固定长度的分组。ATM提供的服务是面向连接的，通过虚电路传送数据。ATM采用统计时分多路复用方式将来自不同信息源的信元汇集到一起，采用统计时分多路复用方式有很大的灵活性。答案：A例6 通过CATV电缆联网，采用的传输技术是 (19) 技术。(2008年11月真题19)A时分多路复用 B频分多路复用C码分多路复用 D空分多路复用分析：CATV(有线电视网)采用电缆调制解调技术，这是一种频分多路复用技术，它将同轴电缆的整个频段划分为3个部分，分别用于数字信号的上传、下载和电视节目下传。数字信号上传使用的频带为542MHz，电视节目下载使用的频带为50550MHz，数字信号下载使用的频带为550750MHz。答案：B例7 语音信道的频率范围为3003400Hz，如果采用PCM编码技术，则采样频率必须大于 (22) 。(2008年11月真题22)A300Hz B3400Hz C4000Hz D6800Hz分析：根据尼奎斯特定理，如果采样频率大于模拟信号最高频率的2倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。在题目中，最大的频率为3400Hz，则采样频率必须大于6800Hz。答案：D例8 设信道带宽为4000Hz，两侧为256种不同的码元，根据Nyquist定理，理想信道的数据频率为 (23) 。(2008年11月真题23)A3kb/s B16kb/s C32kb/s D64kb/s分析：信道每一侧有256种码元，由数据传输速率C和码元速率B的关系为可知，理想信道的数据频率为24000log2256=240008=64000b/s=64kb/s。答案：D例9 在异步通信中，每个字符包括1位起始位、7位数据位、1位奇偶校验位和2位终止位，每秒钟传送100个字符，则数据速率为 (24) 。(2008年11月真题24 )A500b/s B700b/s C1000b/s D1100b/s分析：数据速率是指每秒钟能传输的二进制数据位数。由题意知，每秒可以传送100个字符，而每个字符包括11位，则每秒传送11100=1100位。因此数据传输速率为1100b/s。答案：D例10 如图1.15所示(此处所加的图号是为了使全书体例一致而加的，可能与真题中的表述不完全一致，但不影响读者学习。以后不再一一说明)的两种编码方案分别是 (19) 。(2008年5月真题19)图1.15 两种编码方案示意图A曼彻斯特编码，双相码BRZ编码，曼彻斯特编码CNRZ-I编码，差分曼彻斯特编码D极性码，双极性码分析：不归零(NRZ)用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1，每个比特的中间没有跳变。但NRZ编码不能使收发双方保持同步。NRZ-I编码是一种改进的编码，每个0比特的前沿没有电平跳变，每个1比特的前沿有电平跳变，如图1.15中的所示。曼彻斯特编码中每个比特的中间都有一个跳变，电平从低到高的跳变表示二进制0，电平从高到低的跳变表示二进制1。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0，如图1.15中的所示。答案：C例11 假设模拟信号的最高频率为10MHz，采样频率必须大于 (22) ，得到的样本信号才能不失真。(2008年5月真题22)A5MHz B10MHz C15MHz D20MHz分析：根据尼奎斯特采样定理，要想恢复原来的模拟信号，采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍。题目中模拟信号的最高频率为10MHz时，则采样频率必须大于20MHz。答案：D例12 非对称数字用户线(ADSL)采用的多路复用技术是 (23) 。(2008年5月真题23)AFDM BWDM CTDM DCDM 分析：频分多路复用将信号划分成若干通道，每个通道互补重叠，独立进行数据传递。ADSL采用频分多路复用方法，在PSTN使用的双绞线上划分出3个频段：04kHz用来传送传统的语音信号；2050kHz用来传送计算机上传的数据信息；150500kHz或1401100kHz用来传送从服务器上下载的信息。答案：A例13 设信道带宽为4000Hz，调制为4种不同的码元，根据Nyquist定理，理想信道的数据速率为 (24) 。(2008年5月真题24)A4kb/s B8kb/s C16kb/s D24kb/s分析：根据Nyquist定理，最大码元速率(波特率)为B=2W(Baud)，一个码元携带的信息量n(比特)与码元的种类数N有如下关系：n=log2N。数据速率R的计算公式为R=B log2N=2W log2N=24000log24=80002 b/s=16kb/s。答案：C 例14 如图1.16所示的4种编码方式中，属于不归零编码的是 (19) 。(2007年11月真题19)图1.16 4种编码方式示意图分析：不归零码用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1，图中A是不归零码，B是差分曼彻斯特编码，D是曼彻斯特编码。答案：A例15 T1载波采用 (21) 技术将 (22) 路话音信道复用在一条通信线路上。(2007年11月真题21、22)(21)A时分多路复用B空分多路复用 C频分多路复用D码分多址(22)A12B24C32D64分析：T1载波是目前应用最为广泛的时分多路复用。T1载波将24路音频信道复用在一条通信线路上，每路音频信号到达多路复用器之前，要经过一个脉冲调制编码器进行取样编码。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，用7位表示语音编码，外加一位用于信道控制。答案：(21)A (22)B 例16 以下关于曼彻斯特编码的描述中，错误的是 (19) 。(2007年5月真题19)A无须另外传输同步信号B每个比特都由两个码元组成C用电平跳变来区分0和1D用电平的高低来区分0和1分析：曼彻斯特编码不用电平的高低，而是采用电平的跳变来表示二进制1和0。曼彻斯特编码用高电平到低电平的跳变表示数据0，用低电平到高电平的跳变表示数据1。答案：D例17 (21) 采用不同频率的信号在同一信道上传输数据。(2007年5月真题21)A空分多路复用 B时分多路复用C频分多路复用 D码分多址分析：频分多路复用是在一条传输介质上使用多个不同频率的模拟载波信号进行多路传输，各个载波是完全独立的，每个子信道所占用的频带互不重叠。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法实现多路复用。空分多路复用是在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，其原理与频分多路复用有相似之处。码分多址采用地址码、时间、频率共同区分信道的方式。答案：C例18 下面关于曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的描述中，正确的是 (19) 。(2006年11月真题19)A曼彻斯特编码以电平的高低区分1和0B差分曼彻斯特编码以比特前沿是否有电平跳变来区分1和0C曼彻斯特编码需要附加外同步信息D在同样波特频率的情况下，差分曼彻斯特编码的数据速率比曼彻斯特编码高分析：曼彻斯特编码用电平的跳变表示二进制数，从高电平到低电平的跳变表示1，从低电平到高电平的跳变表示0；差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每比特的值根据开始边界是否发生跳变来决定，无跳变表示二进制1，有跳变表示0。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的每一比特中都有电平跳变，电平跳变用于比特同步，因而不需要附加外同步信息。在同样波特率的情况下，两种编码的数据速率是相同的。答案：B例19 下面关于信元交换(Cell Switch)的描述中，不正确的是 (20) 。(2006年11月真题20)A信元的大小为固定长度B信元交换采用了统计时分复用的传输方式C信元交换时实时性比较