设计一个基于数据通信原理的分组交换网

1、专业综合课程设计 姓 名 Evol 学 号 P 学 院 电气工程学院 专业班级 通信工程 设计一个完整的数据通信系统摘要  本文简要介绍了一个完整的数据通信系统的设计过程，它包括数据通信的基本组成和各个通信模块构成的总体完整数据通信系统框图，并简要介绍了各个模块的基本功能。该设计接入了ATM网络，并简要介绍了该网络的组成用户网络接口、ATM信元、ATM协议参考模型及基本协议、ATM交换的特点。最后对其所用硬件设备、软件技术PCM复用技术和信道编码循环码做简要介绍。本设计中所大多图形都用VISIO软件画出。关键词 数据通信系，ATM交换，ATM信元，PCM复用技术，循环码，VISIO软

2、件 目录 1. 设计背景. 1 2.数据通信系统简介. 1 2.1数据通信系统的基本构成 . 1 2.1.1 数据终端设备（DTE）. 2 2.1.2 数据电路. 2 2.1.3中央计算机系统 . 2 3. 数据通信系统设计. 2 3.1数据通信系统框图及功能 . 23.2 ATM交换 . 3 3.2.1 ATM定义 . 3 3.2.2 ATM信元 .

3、60;3 3.2.3 ATM的特点 . 43.2.4ATM的虚连接 . 4 3.2.5 ATM的交换原理 . 5 3.3 ATM网 .  6 3.3.1公用ATM和专用ATM网络 .  7 3.3.2 ATM网的用户网络接口（UNI） . 7 4.ATM协议 .  8 4.1 ATM各个平面功能 .  9 4.2

4、60;ATM网路分层模型 .  9 4.2.1ATM协议参考模型 .  9 4.2.2 ATM物理层 . 10 4.2.3 ATM层 . 10 4.2.3 ATM自适应层（ALL） . 11 4.2.4高层 . 11 5.软件技术原理. 11 5.1 信道编译码CRC . 11 5.2 FSK调制解调 . 1

5、2 6.硬件介绍. 13 6.1所用传输线 . 13 6.1.1用户和交换机 . 13 6.1.2交换机和交换机 . 13 6.2硬件设备 . 13 6.2.1终端设备 . 13 6.2.2交换机 . 14 7. 心得体会. 15 8. 参考文献. 151. 设计背景 随着计算机的广泛应用，特别是Internet的出现与发展，传输网光纤化快速提高了信道的传输质量，人们对通信容量

6、的需求和依赖越来越大，这促进了数据通信网的快速发展。 数字通信的特点 再生中继，抗干扰能力强，差错控制，改善传输质量，支持各种消息的传递，集成化，小型化，保密性强，数字通信由于传输的数字信号是离散电信号，很难被人听清，本身就具有较高的保密性。而为了密上加密，还可以很方便地进行加密处理。而且加密的规律愈复杂，通信保密的程度就愈高，敌方愈不容易破译。可己方联络对象，只要利用相应的解密设备就可以进行信息还原。代价：频带利用率低，同步技术复杂  数据通信网的种类较多,按其交换的方式可分为分组交换网、帧中继网、ATM网、数字数据网。不同的网络适用于不同的场合。 

7、ATM是作为下一代多媒体通信的主要高速网络技术出现的，从其开发的一开始，ATM就被设计成能提供声音、视频和数据传输，而计算机电话集成（CTI）技术是额外的优点， ATM通信网络的应用，无论是在WAN和LAN干线上的应用，其前景都是诱人的，有着广阔的应用发展前途。2. 数据通信系统简介 数据用传输代码（二进制代码）表示（即用若干个“1”和“0”的组合表示每一个数据）就是数据信号。数据通信就是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。2.1数据通信系统的基本构成

8、0;数据通信系统是通过数据电路将分表不在远地的数据终端与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储、和处理的系统。数据通信系统的基本构成如下图1所示。数据系统的构成基本包括数据终端设备（DTE）、数据电路、中央计算机系统组成。 2.1.1 数据终端设备（DTE）  数据终端设备由数据输入输出设备和传输控制器组成。 数据输入输出设备的作用在发送端把人们的数据信息变成以数字代码表示的数据信号，即把数据转换为数据信号；接收端完成相反的变换，即把数据信号还原成数据。 传输控制器的作用是完成各种传输控制，如差错控制、接续控制、确认控制、传输顺序控制。&

9、#160;2.1.2 数据电路  数据通信提供传输通道。传输信道按照传输方式： 物理实线传输信道包括双绞线电缆、同轴电缆和光纤；电话网传输信道、数字数据传输信道（PCM数字信道作为数据传输信道）。2.1.3中央计算机系统  中央计算机系统有通信控制系统由通信控制器、主机及其外围设备组成，具有处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理结果相应的数据终端设备输出的功能。基带传输时，DCE是对将来自DTE的数据信号进行某些变换，使信号功率谱与信道相适应；频带传输时DCE具体是调制解调器（modem），作用是调制解调；数字数据传输时，DCE是数据服务单元（Dat

10、a Service Unit），其功能时信号格式变换，即消除信号中的直流成分和防止长串零的编码、信号再生和定时。3.数据通信系统设计3.1数据通信系统框图及功能  本设计以学校为基础设计ATM局域网，本设计中设计的通信系统基于ATM交换的ATM网络通信系统模型所下图2所示。各模块功能如下:  用户为信源是数字信源，是通信发起者。本设计中信源为PC机、电话机。 分组原是为主机发送数据报分配一个唯一的数据报标识符。表示数据分组的顺序。去分组挖成与之相反的工作。  信源编码目的数据压缩去除冗余信息，提高信息传输率。本设计中用Huffman编

11、码。信源译码器完成相反的工作。3.2 ATM交换 3.2.1 ATM定义  人们习惯上把电信网分为传输、复用、交换、终端等几个部分，其中除终端以外的传输、复用和交换同称为传递方式（转移模式）。传递方式可分为同步传递方式（STM）和异步传输方式（ATM）两种。异步传递方式采用统计时分复用，各路信号不是按照一定时间间隔周期性的出现,要根据标志识别每路信号。  ATM是一种转移模式，在这一模式中信息被组织成固定长度码元，来自某一端信息的各个信元并不需要周期性地出现，即异步时分复用。3.2.2 ATM信元  ATM信元（cell）实

12、际上就是分组，ATM信元具有固定的长度，从传输速率、时延及系统实现的复杂性考虑CCITT规定ATM信元长度为53B。信元的结构图如图3所示。 其中前5个字节为信头，包含控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，还有一些维护信息、优先级以及信头的纠错码。后面48个字节是信息段，也称净负荷（payload），它载荷来自各种不同业务的用户信息。任何业务的信息经过切割分装成统一格式的信元。3.2.3 ATM的特点  ATM以面向连接的方式工作，为保证业务质量，降低信元丢失，ATM以面向连接工作方式，即终端在传递信息之前，先提出呼叫请求，网络根据现有资源及用户要求，决定是否接受这个情况

13、。若过接受这个请求，则保留必要的资源，及分配VPI/VCI和相应的带宽，并在交换机中设置相应的路由，建立起虚电路（虚连接）。虚电路标志VPI/VCI用来标识不同的虚电路。  ATM采用异步时分复用。这使ATM具有灵活性，网络资源得到充分利用。 ATM网中没有逐段链路的差错控制和流量控制。这得益于所有线路均用光纤，ATM将差错控制和流量控制都交给终端控制完成。  ATM采用固定长度的信元，信息段的长度比较少。为了降低交换节点内部缓冲器区的容量，减少信息的排队时延有利于实时业务的传输。3.2.4ATM的虚连接  ATM是面向连接的，及在传递信息之前先建立虚连

14、接。ATM的虚连接建立在两个等级上：虚通道（VP）和虚信道（VC），ATM信元的复用、传输和交换过程均在VC和VP上进行。VC，VP与物理媒介（传输通道）之间关系如图4所示。虚通道连接（VPC）和虚信道连接（VCC）连接如图5所示。3.2.5 ATM的交换原理   ATM交换的基本原理如下图6所示。ATM交换有以下功能：  空分交换。将信元从一条传输线该送到另一条传输线路上去，实现空分交换，其中进行路由选择。  信头变换。转换VPI/VCI值，即逻辑信道的改变，ATM网中的逻辑信道是靠信头中的VPI/VCI来标识的。相当进行了时间交换

15、。 排队。ATM为异步传输模式，信元的出现是随机的，来自不同入线的两个信元可能 同时到达交换机，并竞争同一条出线，此时会出现碰撞。交换机中提供一系列缓冲存储器，以供同时到达的信元排队用。 3.3 ATM网  本设计中的ATM网络模型图。如下图7所示。3.3.1公用ATM和专用ATM网络  公用ATM网络：由电信部门建立、广利、运营和管理，组成部分有公用ATM交换机、传输线路级网管中心等。公用ATM网络内部交换机之间的接口称为网络节点接口（NNI）。公用ATM网络作为骨干网使用，可与各种专用ATM网及ATM用户终端相连。公用ATM网与专用ATM网

16、及与用户终端之间的接口称为公用用户网络接口。  专用ATM网络：专用网路，包括专用ATM交换机、传输线路、用户端点等。用户终端与专用ATM交换机之间的接口称为专用用户网络接口（UNI）。 ATM交换机之间信元的传输方式有以下3种。 基于信元（cell）；ATM交换机之间直接传输ATM信元。 基于SDH：利用同步数字体系的帧结构来传送ATM信元，本设计中用这种传输方式。 基于PDH：利用准同步数字体系（PDH）的帧结构来传送ATM信元。3.3.2 ATM网的用户网络接口（UNI）  ATM网的用户网络接口参考配置可以有不同的物

17、理实现，下图8为一种比较有代表性的ATM用户网络接口的物理配置。各功能群 带宽终端设备B-TE B-TE1：符合ITU-T标准，支持纯信元形式业务和公用UNI信令，可直接接入专用ATM交换机和公用ATM交换机。 B-TE2：支持非标准ITU-T接口信元形式，即其输出为信元但不符合ITU-T的接口标准，所以B-TE2需经宽带终端适配器B-TA方可介入专用ATM交换机或公用ATM交换机。 TE2：各种现有的非信元形式终端，必须经过B-TA方可接ATM网络。 宽带终端适配器B-TA 适配TE2的B-TA：用于适配R接口的非信元形式终端业务，

18、进行相应的信元拆装和协议处理。 适配B-TE2的B-TA：用于将不符合标准的形式业务转换成符合相应接口标准的信元形式。 宽带网络终端B-NT2 宽带网络终端B-NT2所对应的物理设备大多是专用ATM交换机，交换容量和处理能力较小，而且不需要支持NNI信令和复杂的计费、网络管理维护功能。 宽带网络终端B-NT1宽带网络终端B-NT1实际是物理线路终端设备，具有线路传输终端、传输接口处理和网络运行、维护、管理功能。4.ATM协议 ATM协议参考模型是一个立体分层模型，由三个平面组成：用户平面、控制平面和管理平面。ATM协议参考模型如下图9所示。 4

19、.1 ATM各个平面功能 本设计中所用到的ATM网有自己的ATM网络协议。 用户平面（User Plane,UP）提供用户信息的传送功能，采用分层结构，由物理层、ATM层、ATM自适应层（AAL层）及高层。 控制平面（Control Plane,CP）即通呼叫和连接的控制功能，也采用分层结构，各层名称与用户平面的相同。 管理平面（Management Plane，MP）提供面管理（不分层）和层管理（分层）。面管理实现与整个系统有关的管理功能，并实现所有平面之间的协调；层管理主要用于各层内部的管理，实现网络资源和协议

20、参数的管理，处理OAM信息流。 4.2 ATM网路分层模型4.2.1ATM协议参考模型  ATM网络是一个用户平面和控制平面的分层模型。如下图11所示。 4.2.2 ATM物理层  物理层负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为个子层：物理媒体相关子层（PMD ：Physical Medium Dependent Sublayer）；传输汇聚子层（TC：Transmission Convergence Sublayer ）。 物理媒体相关子层（PMD）的功能

21、：提供与传输媒体有关的机械和电气接口，正确地发送和接收数据比特，负责线路编码、比特定时等功能。 传输汇聚子层（TC）的功能：传输帧的产生/恢复与适配，在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到PMD子层，在接收端则将PMD子层送来的比特流（传输帧）恢复成信元流；并在信元流与传输帧转换时完成格式的适配。信头差错控制（HEC:Header Error Control），信元的信头中含有控制选路及其他的重要信息，必须对信头信息进行差错控制。信元定界和扰码，信元定界（Cell delineation）是用一定的方法来识别信元的边界。信元速率去耦，为了使

22、ATM层传送信元的速率不受传输媒体速率的影响，可以在发送端物理层插入空闲信元（idle cell），以将ATM层信元流的速率适配成传输媒体的速率。 在接收端，通过特定的预分配信头值，可以识别出空闲信元予以丢弃，并不送往ATM层。 4.2.3 ATM层  ATM层的主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为： 信元的复用与交换 服务质量保证OoS 实现净荷类型有关的功能 一般流量控制4.2.3 ATM自适应层（ALL）  AAL的功能：主要功能是高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流

23、。它是ATM层与高层应用（包括用户面、控制面和管理面）之间的适配层，并支持高层与ATM层之间的适配。 AAL的业务分类：AAL的功能和规程与业务有关，不同的业务需要不同的AAL规程。为了减少AAL规程的数量，将业务按照以下个特性进行分类：源与终点之间的定时关系：需要或不需要；比特率：固定或可变；连接方式：面向连接或无连接。 ATM自适应层AAL目前定义了四种业务类型：A类，源和目的点有实时性要求，面向连接的业务,其比特率固定,常见业务为64Kbit/s话音业务。 B类，源和目的点有实时性要求，面向连接的业务,其比特率是可变的。常见业务为可变比特率图像和音频业务。&

24、#160;C类，面向连接的无实时性要求的可变比特率业务，常见业务为面向连接的数据传送(文件传递和数据网业务)和信令传送业务。 D类，无连接型、无实时性要求的可变比特率业务。常见业务为无连接的数据传送业务(数据报业务和数据网业务)。 AAL类型：为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了类AAL：AAL1、AAL2、 AAL3/4、AAL5。 AAL1规程用于支持类业务。AAL2规程用于支持类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。 AAL3与AAL4原来是分开的，后来合并为一类：AAL3/4，用来支持C/D两类业务，即包括面向连接

25、与无连接的数据业务。AAL5可以看成是简化的AAL3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继），传送大的数据分组时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。 4.2.4高层  高层则相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。5.软件技术原理5.1 信道编译码CRC   循环冗余校验码（CRC）的基本原理是：在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码又叫（N，K）码。对于一个给定的（N，K）码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式

26、。 校验码的具体生成过程为：假设发送信息用信息多项式C(X)表示，将C(x)左移R位，则可表示成C(x)*2的R次方，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。通过C(x)*2的R次方除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。 接收端解码的的要求：检错和纠错。由于一码组多项式A（x）都应被生成多项式g(x)去去除。当传输发生错误时，接受码组与发送码组相同，即R(x)=A(x),故接受码组多项式R（x）必定能被g(x)整除；若码组在传输过程中发生错误，则R（x）A（x）, R（x）被g(x)除时可能除不尽而有余项，则有  因此接收端以

27、余项是否为零来判别妈祖中有无错码。5.2 FSK调制解调   数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记成2FSK。根据表征1和0码载波相连点相位的连续将2FSK 非为相位连续2FSK与相位连续的DPSK 。系统框图如下图所示。调制原理图如下图所示。这样2FSK小号为2FSK相干解调原理图如下图所示。6.硬件介绍6.1所用传输线 6.1.1用户和交换机  用户终端设被和专用交换机之间用的是RJ-45接口100BASE-TX非屏蔽双绞线直通线，可支持速率为100M的速率发送。 RJ-45接口可用于连接RJ-

28、45接头，适用于由双绞线构建的网络，这种端口是最常见的，一般来说以太网集线器都会提供这种端口。 RJ45是各种不同接头的一种类型（例如：RJ11也是接头的一种类型，不过它是电话上用的）；RJ-45接头排线的顺序有两种不同的方法：一种是白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕；另一种是白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕；因此使用RJ45接头的线也有两种即：直通线、交插线。 常用B标RJ-45线路连接顺序为橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。当连接不同设备时，使用A标，其连接顺序为绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。一般都常用B标的压法，如果要做交叉线，就一边为A标另

29、一边为B标。6.1.2交换机和交换机  ATM交换机和ATM交换机之间用STM-4帧结构格式的SC-SC光纤接口最大速率为622M的传输速率。 SC型光纤连接器：连接GBIC光模块的连接器，它的外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不须旋转。 6.2硬件设备 6.2.1终端设备 PC机、电视、电话等。 6.2.2交换机  ATM主干交换机采用3COM公司的CoreBuilder 7000HD交换机，具体配置： 主要性能指标： l 第三层（Layer 3）交换，交换速度更高 l 5Gbps的交换能力和20.48Gbps双无源背板 l 4个模块的扩展能力支持IEEE802.1q基于端口的虚拟网络（VLAN），支