《计算机网络体系结构》学习笔记之 第三章 数据通信基础（五）

卷积编码器和网格图

一个 (n,k,m) 卷积码的编码器可以用有 k 个输入端、 n 个输出端的 m 级存储器的线性时序电路来实现，通常 k<n ，且为整数。编码率 Rc=k/n 。图 3.18 所示 (2,1,3) 卷积码编码器中，每输入一个信息比特经编码产生二个输出比特。且每一个输出码字不仅和本码字时间单元内的输入信息比特有关，还和前两个时间单元内的输入信息比特有关，使输出序列的相邻码字之间存在某种相关性。

图中 | m i | 为输入信号序列，可以求出：

 

 

•第九节异步、同步传输基本概念

由传输介质联接起来进行数据交换的两台设备，其工作必须密切配合。每次经过介质发送的各位数据，其定时对发送机和接收机必须是相同的，即相互是同步的。要定时就要考虑：速率、持续时间和间隔。因此，同步就是接收端要按照发送端所发送的每个码元的起止时刻和重复频率来接收数据。两者时间上必须取得一致。

传输数据的同步方式有两种：异步传输与同步传输。

1.异步传输

在异步传输（图 3.20 ）方式中，每次传送一个字符（ 5-8 位），都在每个字符代码前加一起始位，表示该字符代码的开始。在字符和校验码后加一停止位，以示该代码的结束。所以又称起止式同步，起始位编码为 "0" ，持续一位时间，停止位编码为 "1" 持续 l ～ 2 位。当不发送数据时，发送端连续地发送停止码 "1" 。接收端一旦接收到从 1 到 0 信号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同步。

 

图 3.20 异步传输

当接收到接收停止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。在异步传输中不需要传输时钟脉冲。由于这种方式的字符发送是相互独立的，故称为异步方式。

异步通信设备易于安装，维护简单且价格便宜；但异步方式由于每一个字符都引入起始和停止位，所以开销大、效率低、速率低，常用于低速传输，如 1200b/s 或更低的速度。分时终端与计算机的通信一般是异步的。

2.同步传输

在这种方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。使时钟保持同步的方法之一，是在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息，称为同步法。另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送，直接从数据波形本身中提取同步信号，称自同步法。如数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送 "0" 信号时是先正后负，传送 "1" 信号时是先负后正。

由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句及帧。数据传输的代码结构是由若干位组成字，由若干字组成句，由若干句组成帧，传输时不仅位需要同步，其余字、句、帧都要同步，这就叫 " 群 " 同步。只有做到群同步，接收端才能正确识别字、句、帧等码群。如果只有位同步而无群同步，收到的信号将是一串无意义的码元序列。为使接收装置能确定数据块的开始和结束，每一数据块前、后用同步数据块加上同步定界符等控制信息的组合，常称为 " 帧 " 。帧的实际格式，常取决于传输方案，是面向比特（位）的，还是面向字符方式的。

2.同步传输

在这种方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。使时钟保持同步的方法之一，是在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息，称为同步法。另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送，直接从数据波形本身中提取同步信号，称自同步法。如数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送 "0" 信号时是先正后负，传送 "1" 信号时是先负后正。

由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句及帧。数据传输的代码结构是由若干位组成字，由若干字组成句，由若干句组成帧，传输时不仅位需要同步，其余字、句、帧都要同步，这就叫 " 群 " 同步。只有做到群同步，接收端才能正确识别字、句、帧等码群。如果只有位同步而无群同步，收到的信号将是一串无意义的码元序列。为使接收装置能确定数据块的开始和结束，每一数据块前、后用同步数据块加上同步定界符等控制信息的组合，常称为 " 帧 " 。帧的实际格式，常取决于传输方案，是面向比特（位）的，还是面向字符方式的。

(1) 面向字符方式

在面向字符方式中，数据被当作字符（ 8 位）序列，所有控制信息取字符形式。每帧以一个或多个同步字符开始。同步字符常记作 SYN ，其 8 位编码为 00010110 ， SYN 告知接收装置是一个数据块的开始。在有些方案中，具有特定的字符作后定界符。接收装置一接收到 SYN 字符，就得知已发送了数据块，而开始接收数据，直到接收到后同步字符，一帧数据就告结束。之后，接收装置又开始寻找新的 SYN 控制字符。如图 3.21(a) 所示。

图 3.21(a) 同步传输中面向字符的帧

(2) 面向比特（位）方式

在面向比特方式中，数据块被当作比特序列，数据或控制信息都不必如同面向字符传输那样，以 8 位为单位，而是以 8 位的标志 F 开始，同样也以标志 F 作为后同步。如图 3.21(b) 所示面向比特方式与面向字符方式的区别在于格式不同及对控制信息的解释的细节不同。

图 3.21 (b) 同步传输中面向比特的帧

 

 

•第十节交换技术

交换即转接，是在交换通信网中实现数据传输必不可少的技术。常用的交换技术有三种：电路交换（线路交换）、报文交换和分组交换（包交换），下面介绍几种交换技术及特点。

1.电路交换

电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置（站）之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可是物理通道又可是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。

目前公用电话网广泛使用的交换方式是电路交换，经由电路交换的通信包括三个阶段：

(1) 电路建立：

通过源站点请求完成交换网中对应的所需逐个节点的接续（连接）过程，以建立起一条由源站到目的站的传输通道。例如： A ， D 间要完成通信，共过程为 A 向节点 4 申请，通常，从 A 到 4 的链路是专用线，节点 4 在 4-1 ， 4-5 ， 4-7 三条传输路径中选择一条作为通路，如选择 4-5 ，并在节点 4 内部建立 A-4 路径与 4-5 路径间的连接，依次类推，之后节点 5 内部建立 4-5 和 5-3 路径之间的连接，最后节点 3 内部建立 5-3 路径和 3-D 路径之间的连接，最终完成 A-D 之间的传输通道为 A- 4-5-3 -D 。

(2) 数据传输：

现在，信号可以从 A 经建立的链路传送到 D ，通常为全双工传输。

(3) 电路拆除：

在完成数据或信号的传输后，由源站或目的站提出终止通信，各节点相应拆除该电路的对应连接，释放由原电路占用的节点和信道资源。

电路交换具有下列特点：

(1) 呼叫建立时间长且存在呼损。在电路建立阶段，在两站间建立一条专用通路需要花费一段时间，这段时间称为呼叫建立时间。在电路建立过程中由于交换网繁忙等原因而使建立失败，对于交换网则要拆除已建立的部分电路，用户需要挂断重拨，这称为呼损。

(2) 电路连通后提供给用户的是 " 透明通路 " ，即交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加以限制，但对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式、传输控制等一致才能完成通信。

(3) 一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传播延迟以外，没有别的延迟，在每个节点的延迟是可以忽略的，适用于实时大批量连续的数据传输。

(4) 线路（信道）利用率低。电路建立，进行数据传输，直至通信链路拆除为止，信道是专用的，再加上通信建立时问、拆除时间和呼损，其利用率较低。

2.报文交换

在数据交换是相对较为连续的数据流时（如话音），电路交换是一种适宜的、易于使用的技术。日前数字数据通信广泛使用报文交换。在报文交换网中，网络节点通常为一台专用计算机，带有足够的外存，以便在报文进入时，进行缓冲存储。节点接收一个报文之后，报文暂存放在节点的存储设备之中，等输出线路空闲时，再根据报文中所附的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端。所以报文交换也称为存储转发（ storeandforward ）。

在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。并且对收发的报文进行相应的处理，如差错检查和纠错、调节输入 / 输出速度进行数据速率转换、进行流量控制，甚至可以进行编码方式的转换等，所以报文交换是在两个节点间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机间建立多个节点组成的电路通道。

与电路交换相比，报文交换方式不要求交换网为通信双方预先建立一条专用的数据通路，因此就不存在建立电路和拆除电路的过程，如动画所示，如果主机 4 要求发送一个报文给主机 E ，主机 A 首先将报文发送到节点 4 ；节点 4 根据报文附加的目标地址选择节点 5 （或 7 ）为转发达个报文的下 - 个节点；节点 5 （或 7 ）接收并存储所收到的报文，当输出线路有空时，把该报文转发到它所选择的下一个节点 6 ；节点 6 收到报文后交给主机 E ，完成报文传输。报文交换中每个节点都对报文进行 " 存储转发 " ，报文数据在交换网中是按接力方式发送的。通信双方事先并不知道报文所要经过的传输路径，并且各个节点不被特定报文所独占。

报文交换具有下列特征：

(1) 源站 A 和目标站 E 在通信时不需要建立一条专用的通路，因此就不需要节点 4 、 5 、 6 或 4 、 7 、 6 同时空闲。

(2) 与电路交换相比，报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和时延。

(3) 线路利用率高，节点间可根据线路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据。

(4) 要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当。

(5) 数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错、纠错。

(6) 缺点：由于采用了对完整报文的存储 / 转发，节点存储 / 转发的时延较大，不适用于交互式通信，如电话通信；由于每个节点都要把报文完整地接收、存储、检错、纠错、转发，产生了节点延迟，并且报文交换对报文长度没有限制，报文可以很长，这样就有可能使报文长时间占用某两节点之间的链路，不利于实时交互通信。分组交换即所谓的包交换正是针对报文交换的缺点而提出的一种改进方式。

3.分组交换

分组交换属于 " 存储 / 转发 " 交换方式，但它不像报文交换那样以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的 " 报文分组 " （ packet ）为单位进行交换传输。分组是一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数，把它作为一个整体加以转接，这些数据、呼叫控制信号以及可能附加的差错控制信息是按规定的格式排列的。举例说明分组交换的过程：假如 A 站有一份比较长的报文要发送给 C 站。则它首先将报文按规定长度划分成若干分组。每个分组附加上地址及纠错等其他信息，然后将这些分组顺序发送到交换网的节点 4 。

交换网可采用两种方式：数据报传输分组交换或虚电路传输分组交换进行交换。

(1) 数据报传输分组交换

交换网把进网的任一个分组都当作单独的 " 小报文 " 来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。如 A 站将报文分成 3 个分组 (P1 ， P2 ， P3) ，按序连续地发送给节点 4 ，节点 4 每接收一个分组都先存储下来。分别对他们进行单独的路径选择和其他处理过程。例如它可能将报文发送给节点 5 ， P2 发送给节点 1 ， P3 发往节点 5 ，这种选择主要取决于节点 4 在处理每一个分组时各链路的负荷情况以及路径选择的原则和策略。由于每个分组都带有地址和分组序列，虽然他们不一定经过同 - 条路径，但最终都能到达同一目的节点 2 。这些分组到达目的节点 2 的顺序也可能被打乱。目的节点 2 可以负责对分组进行排序和重装，目的站 C 也可以完成这些排序和组装工作。

上述这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的 " 小报文 " 被称为数据报（ datagram ）。

(2) 虚电路传输分组交换

所谓虚电路就是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，一旦这种连接建立，直至用户不需要发送和接收数据时清除这种连接。

其主要的特点是：所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，存在一个虚呼叫建立阶段和拆除阶段（清除阶段）。与电路交换相比，并不意味着实体间存在象电路交换方式那样的专用线路，而是选定了特定路径进行传输，分组所途经的所有节点都对这些分组进行存储 / 转发，这是与电路交换的实质上的区别。

这种方法的优点是：对了数据量较大的通信传输率高，分组传输时延短，且不容易产生数据分组丢失；缺点是对网络依赖性大。数据报方式是将一个数据分组当作一份独立的报文看待，每一个数据分组都含有源地址和目标地址信息，交换节点须为每一个数据分组独立地寻找路径，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，而在网络终点需要重新排序。数据报的优点是对于短报文数据通信传输效率比较高，对网络故障的适应能力强，缺点是时延大。

总之，分组经过通信网络到达终点有两种方法：虚电路（ VirtualCircuit ）和数据报（ datagram ）。

4.高速交换技术

传统的交换技术不能满足多媒体业务应用，目前提高交换速度的方案有帧中继和 ATM 等。

最有发展前途的交换技术是 ATM （异步传输模式），他是线路交换与分组交换技术的结合，能最大限度地发挥线路交换与分组交换技术的优点，具有从实时的话音信号到高清晰度电视图像等各种高速综合业务传输能力。