书稿第6章数据通信网

1、第6章 数据通信网,前言,众所周知，21世纪是信息高速发展的时代，如何高效、可靠的的发掘、利用充斥于网络中的海量的信息是通信研究的一个重要问题。分析比较分布于互联网中的各个计算机上的信息与传统通过话音通信传播的信息，不难发现两者最大的区别在于传统的话音通信的对象是人声这种可直接辨别的载体；而分布于网络中各台计算机上的信息则是由人无法直接识别其物理意义的按一定形式组织的二进制编码字符。例如二进制字符1，对于话音通信他就是表示最小的自然数；而对于计算机而言，它可能表示最小的自然数，也可能表示“有”或者“真”，甚至可以表示“5V”电压。 可以看出数据通信与我们前面所研究的话音通信有如下的区别： (1) 话音通信的主体为人；而数据通信的主体为由人控制的计算机； (2) 在话音通信中，由人主导通信过程；而在数据通信中，由计算机主导通信过程，不同的计算机按照由人预先编制的程序进行自动化的信息传输和处理； (3) 在话音通信中，信息的载体为声音信号；而在数据通信中，信息的载体为已编码信号。,因此，在研究数据通信时，研究方法就和我们研究话音通信有了一定的区别。主要体现在于数据通信的主体为计算机，为了能

2、够使得计算机高效、可靠的完成信息的传输，需要人为的编制一些计算机程序，规范计算机的信息传输与处理，我们通常称之为通信协议；这些通信协议定义了信息是如何表示的，信息是如何传递的以及传递信息的计算机终端间是如何连接的。 因此，在本章的学习中，为了便于大家学习，我们首先介绍和数据通信相关的一些基本概念，然后研究这些不同的通信协议，如X.25,帧中继等，以及如何利用通信协议实现数据通信业务。,1.1数据通信的基本概念 1数据通信的概念 从引言的分析可以看出，数据通信具有三个要素： 通信的主体：计算机； 通信的客体：经过处理的以一定的二进制字符形式表示的信息； 通信的过程：人预先编制好的计算机程序，通信协议； 综合这三个要素，我们即可得到数据通信的定义：所谓数据通信是指按照一定的通信协议，利用传输技术在功能单元之间传递、处理、存储数据信息，从而实现计算机与计算机之间，或计算机与其它终端之间，或终端与终端间信息交流和处理的通信过程。,1. 数据通信网概述,2数据通信系统 虽然数据通信有别于话音通信，但其仍属于通信系统的范畴，因此从宏观上来说，数据通信系统仍然是由信源、信道（包括噪声和干扰）及信宿组

3、成。 在数据通信中，我们将信源和信宿统称为数据终端设备(DTE);将保证数据终端间的数据能在数据链路或数据电路中高效、可靠在信道中传输的设备称之为数据电路终接设备，其组成框图如图1所示。,图1 数据通信系统组成框图,1）数据终端设备（DTE） 在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备（简称DTE）。通常由两部分组成：发送/接收设备和通信控制器。通信控制器主要的作用是根据通信协议确保数据在DTE间高效、可靠的传输。它是数据通信系统区别于话音通信系统的一个很重要的组件，其，数据终端的类型有很多种，有简单终端和智能终端、同步终端和异步终端、本地终端和远程终端等。 具体的说，DTE可能是计算机，也可能是一台只接收数据的打印机。 2）数据电路终接设备（DCE） DCE用来连接DTE与数据通信网络，也就是说该设备为用户设备提供入网的连接点。DCE的主要完成数据信号的变换，以便DTE发出的信息能够适合传输信道的特点。具体来说DCE最重要的两个作用就是A/D、D/A转换和调制解调；及其他的信道处理，如码型变换、信道均衡，控制呼叫流程等。 常见的DCE设备有调制解调器，数据服务单元等。

4、,3）传输信道 数据通信的传输信道和普通通信系统区别不大，大体上包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等。 备注：通常将传输线路及其两端的DCE设备合称为数据电路。而将加了通信控制器以后的数据电路称为数据链路。 4）接口 这里接口主要指DTE与DCE间的接口，为了保证不同的数据通信设备之间互联互通的需要，国际上制定了标准的接口，即在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范。,DTE和DCE之间有很多类型的接口，目前最通用的类型有： 美国电子工业协会EIA的RS-232C接口； RS-232接口由电子工业协会（EIA）于1960年代早期制定，并经过几次修订。于1960年代晚期制定的RS-232-C是最常见的版本。 在RS-232标准中，DTE和DC的连接使用一条25线的电缆（称之为DB-25电缆），电缆与设备的接口是一个25针的连接器（见图2）。,图2 RS232连接器,ITU-T的V系列接口和X系列接口； ITU-T也制定了一系列的DTE-DCE接口，这里我们简单的介绍一下X.21接口。X.21接口标准使用一个15针的连接器，允许平衡电路和不平衡电路。 X.21和

5、RS标准主要有两点区别：一是X.21标准被定义成一个数字信号接口。二是控制信息的交换方式。RS标准为控制功能定义了特殊的线路。控制越多，需要的线路就越多，因而给连接带来的不便也就越多。而X.21的基本原理是在能够理解控制序列的DTE和DCE之间增设一些逻辑线路，从而减少连接线路的数目。 国际标准化组织ISO和ISO211O、ISO1177等。 除了以上两个校准化组织制定了一系列的DTE-DCE外，国际标准化组织ISO也制定了相应的接口标准，这里就不再赘述。,1.2数据通信系统的性能指标 不同的通信系统有不同的性能指标，就数据通信系统而言，其性能指标主要有两类：有效性指标：包括传输速率、频带利用率；可靠性指标：差错率等。 1. 信息传输速率（Rb） 信息传输速率简称传信率，又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特秒，记为bit/s、b/s、bps。 2. 码元传输速率（RB） 码元传输速率简称传码率，又称符号速率、码元速率、波特率、调制速率。它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），常用符号“B来表示。 在实际通信系统

6、中，有时候可能会需要使用多位2进制代码表示一位信息。因此通常传信率不等于传码率。传信率与传码率之间的关系为： 式中，N为码元的进制数。,3. 频带利用率 数据通信系统地另外一个有效性指标是频带利用率，用于衡量单位频带宽度内传输的信息速率。通常用表示： 单位：比特秒赫（bsHz）、波特赫（BHz）。 4. 差错率 衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率。表示差错率的方法常用以下三种：误码率、误字率、误组率。我们通常用误码率。 误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的码元数所占的比例，用字母Pe来表示，即,通信网可以理解为一个多用户、多信道的复杂通信系统。而形成多个用户通过多个信道相互通信的关键是交换技术。所以，数据通信网可以理解为通过交换技术和传输线路连接起来的多个通信系统的复合系统。因此，研究数据通信网首先要研究能满足数据通信需要的交换技术。 2.1数据通信交换方式 交换技术是通信组网的关键技术。因此，本节首先讨论常见的几种交换方式，比对其进行比较，说明这几种交换技术对于数据通信网的优缺点。 目前，常见的交换方式有以下三类： 分组交换方式(Packet Switchin

7、g); 电路交换方式( Circuit Switching); 报文交换方式(Message Switching);,2. 数据通信网,1. 电路交换 所谓电路交换是指通信双方在通信之前，首先要建立两者之间的通信链路，在整个交换过程中该通信链路为通信双方所独享的交换方式。 数据的电路交换过程与目前公用电话交换网的电话交换的过程类似。当DTE要求发送数据时，向本地交换局呼叫，在得到应答信号后，主叫DTE发送被叫DTE号码或地址；本地交换局进行号码分析，并随之确定传输路由；然后通过局间中继线将主叫DTE所属本地局与被叫DTE所属本地交换局连通，并呼叫被叫DTE，从而在主、被叫DTE间建立起一条固定的通信链路。通信结束时，当任一DTE表示通信完毕需要拆线时，则该链路上的各交换机将本次通信所占用的设备和通信链路（电路）释放，以供后续的用户呼叫用。 实现电路交换的主要设备是具有电路交换功能的交换机，它由电路交换部分和控制部分组成。电路交换部分实现主、被叫用户的连接，构成数据传输信道；控制部分的主要功能是根据主叫用户的选线信号控制交换网络完成接续。,电路交换技术的优缺点及其特点： （1）优点：数据

8、传输可靠、迅速，数据不会丢失且在接收方无需再做排序处理。 （2）缺点：电路利用率不高,这是由于电路交换技术采用物理线路连接用户,在很多情况下,信道处于空闲状态。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。 （3）特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。,2. 报文交换 为了克服电路交换方式中电路利用率低等方面的缺点，提出了报文交换方式。在报文交换方式中，用户信息的基本单位是报文，收、发DTE之间无需直接的物理信道。因此用户之间不需要先建立呼叫，也不存在拆线过程。它是将用户报文首先存储在交换机的存储器中，当所需要输出的电路空闲时，再将该报文转发给中继交换机,直到发向接收交换机和用户终端。因此，报文交换系统又称“存储转发”系统。它的原理框图如图3所示。,图3 报文交换方式原理框图,报文交换的优缺点及特点： 优点：（1）电路利用率高。通信中，双方不维持固定信道，故电路资源可为多个用 户共享。 （2）用户数限制少，报文交换采用存储-转发方式，信道共享，用户数目基本不受信道容量影响，只不过延迟会增大。

9、 （3）报文交换可以实现点对多点通信。 缺点：（1）不能满足实时或交互式的通信要求，报文经网络的延迟时间长且不定。 （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，而且发出的报文不按顺序到达目的地。 特点：（1）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。 （2）在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。,3. 分组交换 分组交换是在电路交换与报文交换的基础上发展起来的，也称包交换，它和报文交换的区别在于两者的信息单位不同。在分组交换中，将用户传送的数据分成一定长度的包。在每个包（分组）的前面加一个包头，用于标识目的地址，分组交换机可以根据每个分组的地址，将它们转发至目的地，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。 在分组交换中，通过分组来传输和交换信息的，分组格式如图4所示。每个分组最前面约有3-10个字节（8比特组）作为填写接收地址和控制信息的分组头。分组头后面是用户数据，其长度一般固定。当发送长报文时，需将该报文划分成多个分组。,图4 分组格式,在分组中,FCS表示用于分组差错控制的检验序列,F表示帧标志序列，A表示地址字段，C表示控制字段,分组是交换处理和传送处理的数据。 分组交换的工作原理如图5所示，由图可以看出在分组交换网中有两类用户设备：一般型终端和分组型终端构成DTE，满足不同类型用户的接入，其中一般型终端需入网时，必须采用PAD将非分组型数据转化为分组型数据；分组交换机构成DCE。,图5 分组交换网工作原理,图中假设有三个交换机(又称为交换节点)，分设有分组交换机1、2、3；A、B、C、D为四个数据通信用户，A、D为一般终端，B、C为分组型终端。A、B分别向C、D传送数据。A的数据C经交换机1的PAD组装成二个分组C1和C2，然后经由分组交换机1、2之间的传输通路以及分组交换机1、3和3、2之间的传输通路分别将C1、C2数据传送到终端C。由于C为分组型终端，C1、C2分组可由终端C直接接收。B的分组数据3、2、1经由分组交换机3、2之间的传输通路传送到终端D。D终端为一般终端，它不能直接接收分组数据，因而数据到交换机之后，要经分组装拆设备恢复成一般报文，然后再

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