通信基础

电路交换、报文交换与分组交换

$$数据交换方式\{\begin{array}{l}电路交换\\ 报文交换\\ 分组交换\{\begin{array}{l}数据报方式\\ 虚电路方式\end{array}\end{array}$$

电路交换(Circuit Exchanging)

• 电路交换的原理：在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
• 电路交换技术的三个阶段：连接建立(呼叫、电路建立)、数据传输和连接释放(拆除电路)
• 特点∶独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

电路交换的优缺点：

报文交换(Message Exchanging)

• 报文：报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。
• 报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。

报文交换的优缺点：

分组交换(Message Exchanging)

• 分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组(packet) 。
• 分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。

分组交换的优缺点：

三种数据交换方式的比较

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

数据报与虚电路

• 分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。

数据报

1. 源主机(A)将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点(A)
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本
4. 所有分组到达(主机B)

数据报方式的特点：

1. 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组
   无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同
2. 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失。
3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组
5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信

虚电路

• 虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果
  
  虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径( 逻辑连接)，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表， 每一项记录了一个打开的虚电路的信息
• 与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放
  虚电路建立：源主机发送"呼叫请求"分组并收到"呼叫应答"分组后才算建立连接
  数据传输：每个分组携带虚电路号，分组号、检验和等控制信息
  虚电路释放：源主机发送"释放请求"分组以拆除虚电路

虚电路方式的特点：

1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接， 而非实际物理连接。
   连接服务：首先为分组的传输确定传输路径(建立连接)，然后沿该路径(连接)传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。
2. 一次通信的所有分组都通过虛电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失
3. 分组通过虚电路上的每个节点时，结点只进行差错检测，不需进行路由选择
4. 每个结点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虛电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务
5. 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
   

传输介质

• 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
• 传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
  $$传输介质\{\begin{array}{l}导向性传输介质\to 电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播\\ 非导向性传输介质\to 自由空间，介质可以是空气、真空、海水等\end{array}$$

双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

$$导向性传输介质\{\begin{array}{l}双绞线\{\begin{array}{l}屏蔽双绞线\\ 非屏蔽双绞线\end{array}\\ 同轴电缆\\ 光纤\{\begin{array}{l}多模光纤\\ 单模光纤\end{array}\end{array}$$

双绞线

• 双绞线是最常用的古老传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP) 。
  
• 双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几签名到数十千米。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

• 同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用;75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
  
• 双绞线 VS 同轴电缆：由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

光纤

• 光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是$10^8$MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。【双绞线和同轴电缆使用电脉冲来进行通信】
• 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
• 光纤主要由纤芯和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
  
• 利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤，多模光纤的光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。
• 光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤。单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源为定向性很好的半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。
  
• 光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2. 抗雷电和电磁干扰性能好
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
4. 体积小，重量轻

无线传输介质

$$非导向性传输介质\{\begin{array}{l}无线电波\\ 微波\{\begin{array}{l}地面微波接力通信\\ 卫星通信\end{array}\\ 红外线和激光\end{array}$$

1. 无线电波：较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域(如手机通信)【信号向所有方向传播】

2. 微波：微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高【信号固定方向传播】

3. 红外线和激光：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播【信号固定方向传播】

卫星通信的优缺点：

物理层接口的特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性：指明某条线上出现的某一点平的电压的意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

最后

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