（网络工程师培训）02-通信基础.ppt

,02-通信基础,网络工程师培训,主要知识点,基本概念模拟信号与数字信号,模拟信号是连续变化的量,数字信号是离散的量,基本概念周期信号,如果一个信号能在一个可测定的时间内，以同样长短的周期不断重复同一个完整的模式，则称这个信号为周期性信号。如果一个信号在随时间不断变化的过程中没有任何固定的模式和波形重复出现，则这个信号就是非周期性信号。周期信号也可以分为周期模拟信号和周期数字信号。,基本概念信号的三要素,信号的三要素是：振幅A周期T（或频率f）相位,基本概念简单信号和复合信号,模拟信号可以分为简单信号和复合信号。简单模拟信号不能再分解，而复合信号可以被分解为多个简单信号。,a)简单信号,b)复合信号,基本概念数字信号分解,一个数字信号可以被分解为无穷多个简单的正弦波（或余弦波），这个简单的正弦波（或余弦波）叫做谐波。每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。当在传输介质上发送数字信号时，其实是在发送多个简单信号。,基本概念波特率、比特率与码元,波特率（BaudRate）是指单位时间内信号波形所能达到的最大变换次数，单位为赫兹（Hz）。信号波形的变换实质上是表示信号的函数发生了改变，即示正弦谐波的三要素：振幅、频率和相位中的某一元素发生变化。单位时间内在信道上传送的数据量（即比特数）称为数据速率，又称为比特率，其单位为bps或b/s。在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元（Symbol），一次脉冲的持续时间称为码元的宽度。码元速率（SymbolRate）表示单位时间内信号波形的最大的变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数。码元速率即数字信号中的波特率，所以码元速率的单位也为波特。,看图答问,下图是一个典型的正弦波，请问它的波特率是多少？,1秒,基本概念频谱与带宽,如果一个复合信号可以分解为多个谐波。每个谐波是原信号的分量，都有振幅、频率和相位三个要素。信号频谱是信号的所有分量的频率的集合。带宽（Broad）是频谱的宽度，即频谱中最高频率与最低频率的差值。带宽的单位是赫兹（Hz），与频率的单位相同。例如，一个周期信号可分解为五个频率为100Hz、200Hz、400Hz、500Hz和800Hz的正弦波，则最高频率fh=800Hz，最低频率fl=100Hz，带宽B=fh-fl=800Hz-100Hz=700Hz。,基本概念介质带宽与有效带宽,传输介质在传送信号时只能传送某个频率范围内的信号，这个频率范围的宽度便是介质带宽，即介质所能传送信号的最高频率与最低频率的差值。介质带宽是由介质本身所决定的，它是介质的一个物理性质。数字信号与模拟信号的频谱包括不同振幅的多个（甚至无穷多个）频率。但在传输时不可能传输原始信号频谱的全部频率，而只是传输那些具有重要振幅的分量。这一部分被传输的分量的频率组成的频谱叫做有效频谱，其带宽为有效带宽。,基本概念传输模式,基本概念通信模式,数据通信理论基础傅立叶分析,任何正常的周期为T的函数f(t)，都可以展开成多个、甚至无限个正弦和余弦函数。在通信中的意义是：任何一个周期信号，无论它有多么复杂，总可以被分解为多个、甚至无限个简单信号。,数据通信理论基础尼奎斯特定理,当一个无噪音的带宽为3KHz的信道传输二进制信号时，其最大数据传输速率（即比特率）不会超过6000bps。若信号包含八个离散级数，则：最大数据传输速率=23Klog28bps=6K3bps=18Kbps。,尼奎斯特定理用于计算理想信道（无噪音信道）的最大数据传输速率。,最大数据传输速率=2Hlog2VbpsH：信道带宽，V：信号有效离散级数,数据通信理论基础香农公式,在实际情况下，由于信噪比的值太大，通常用分贝（decibel，dB）来描述。分贝值与信噪比有如下的关系：dB=10log10S/N在一条带宽为3000Hz、信噪比为30dB的信道中，信道上的最大传输率不超过30Kbps。其计算过程如下：先求出信噪比S/N：由30=10log10S/N，得log10S/N=3，所以S/N=103=1000。最大传输率=Hlog2（1S/N）bps=3000log2（11000）bps30009.97bps=299100bps30Kbps,香农公式用于计算有噪声信道的最大数据传输率。,最大数据传输速率=Hlog2（1S/N）bpsH：信道带宽，S/N：信噪比,同轴电缆主要用两种：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆是特性阻抗为50的同轴电缆，用于数字信号的传输，是局域网中常用的同轴电缆。基带同轴电缆又可分为粗同轴电缆（简称粗缆，如RG-8粗缆、RG-11粗缆等）和细同轴电缆（简称细缆，如RG-58细缆）。宽带同轴电缆是特性阻抗为75的同轴电缆，用于传输模拟信号。宽带同轴电缆常用于CATV（CommunityAntennaTelevision，有线电视）网络，因此被称为CATV电缆（规格为RG-59）。,传输介质同轴电缆,粗缆适用于大型局域网，它传输距离长、可靠性高，安装时不需要切断电缆，只须用夹板装置夹在计算机需要连接的位置。细缆安装则比较简单，造价也较便宜。但安装过程要切断电缆，两头须装上BNC接口，然后接在T型连接器两端。,传输介质基带同轴电缆,粗同轴电缆连接方法可见：,双绞线按其保护层外面是否含有金属层，可分为UTP（UnshieldedTwistedPair，非屏蔽双绞线）和STP（ShieldedTwistedPair，屏蔽双绞线）。STP在保护层里面套有一层铅箔层，其作用是为了降低外界的电磁干扰。相对于UTP，STP的抗干扰能力强，保密性好，不易被窃听，且其传输速率也较快，但STP的价钱相对要贵一些。,传输介质双绞线,传输媒介双绞线的类别,光纤是光导纤维的简称，是由纤芯、包层和涂覆层组成的。光纤的纤芯是由能传播光的石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝；包层是涂在纤芯外的一层折射率比光纤纤芯低的材料。当入射光以一定的角度射入纤芯后，会在纤芯与包层的交界处发生全反射，经过这样的若干次全反射之后，光线就损耗极少地到达光纤的另一端。,传输介质光纤,光线在光纤信道中的传播模式有两种：多模传播与单模传播。“模”是指光线的入射角。多模传播又可分别两种类型：阶跃模式和渐变模式。常用多模光纤中主要有Ala类50/125m和Alb类62.5/125m两种类型。单模光纤的尺寸主要为8m/125m。,传输介质光纤,无线电传输微波传输卫星传输红外线传输激光传输,传输介质无线传输,编码与传输,在进行数据通信时，必须将数据进行编码，转化为数字信号或模拟信号，以便于在信道上传输。由于数据源可以是模拟数据，也可以是数字数据，所以共有四种编码方式。,数字数字编码关键问题,直流分量：当传输信号的平均振幅不是零时，这将产生直流分量（频率为0的分量）。当信号含有直流分量，它不能由没有处理直流分量的媒体传输，例如微波或变压器。同步：当一个信号不发生改变时，接受方无法知晓每比特的开始和结束。如果传输延时或噪声使信号发生扭曲，将导致接收方无法正确接收数据。,数字数字编码常见类别,数字数字编码是用数字信号来表示数字数据，在数字线路中传输。,脉冲的极性是电压的正负，单极性编码只使用了电压的一极。单极性编码实现简单，但它会出现两个问题：直流分量和同步控制问题。,数字数字编码单极性编码,采用两个电压值：正电压与负电压。信号的电平是由它所代表的比特位决定的。正电压代表比特1，负电压代表比特0。减轻了直流分量问题，没有解决同步控制问题。,数字数字编码NRZ-L（NonReturn-to-Zero-Level，非归零电平编码）,信号电平的一次反转代表比特1，没有电平变化代表比特0。减轻了直流分量问题。解决了传送“1”时的同步控制问题，但没有解决传送“0”时的同步控制问题。可以通过进一步的编码（例如4B/5B编码）解决传送“0”时的同步控制问题。,数字数字编码NRZ-I（NonReturn-to-ZeroInvert，非归零反相编码）,正电平代表比特1，负电平代表比特0。任何比特间隙的中间，信号将归零。减轻了直流分量问题。解决了同步控制问题。但由于每个比特位需要两次信号变化，从而增加了信号占用的带宽。,数字数字编码RZ（Return-to-Zero，归零编码）,曼彻斯特编码在每个比特间隙中间的电平跳变来同时代表比特位和同步信息。负电平到正电平的跳变代表比特1，而正电平到负电平的跳变则代表比特0。（当然，反过来也是可以的，只要通信双方采用相同的定义规则就可以了）解决了直流分量问题。解决了同步控制问题。但由于每个比特位需要两次信号变化，从而增加了信号占用的带宽。,数字数字编码曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）,差分曼彻斯特编码的比特间隙中间的跳变仅用于携带同步信息。每比特的开始位置没有电平跳变表示比特1，有电平跳变表示比特0。解决了直流分量问题。解决了同步控制问题。但由于每个比特位需要两次信号变化，从而增加了信号占用的带宽。,数字数字编码差分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding）,零电平代表二进制0，正负电平交替代表比特1。解决了直流分量问题。电平交替变换的比特1可以进行同步，但对于连续的比特0则没能提供同步机制。,数字数字编码AMI（AlternateMarkInversion，信号交替反转码）,模拟数字编码,模拟数字编码是用数字信号来表示模拟数据，即模拟数据数字化。既可用于模拟信号的数字传输，也可以用于模拟信号的数字处理（如数字化音频、数字化视频）。,模拟数字编码最常见的技术是PCM，它以PAM（PulseAmplitudeModulation，脉冲振幅调制）技术为基础。PCM技术包括三个独立的过程：脉冲振幅调制（即采样）、量化和二进制编码。采样密度和量化等级是影响误差的最关键因素。,模拟数字编码PCM（PulseCodeModulation，脉冲编码调制）,数字模拟编码,数字模拟编码是用模拟信号来表示数字数据。一个正弦波（或余弦波）可由其三要素确定：振幅、频率和相位。当其中的任一要素改变时（相位改变不为周期的整数倍），其波形就会改变。利用模拟信号的波形变化，可以用来表示数字数据。,数字模拟编码主要技术,在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承裁信息信号，这个基波称为载波信号或载波频率。接收设备调整自己的接收频率与载波信号一致。数字信息通过改变载波信号的一个或多个要素（振幅、频率和相位）被调制到载波信号上。载波信号的波形的改变称为移动键控（ShiftKeying），调制后的信息信号称为调制信号。根据载波信号要素的改变方式，数字模拟编码主要技术有以下四种：,数字模拟编码ASK（AmplitudeShiftKeying，幅移键控）,通过改变振幅的大小来表示二进制0、1的，而频率和相位则保持不变。ASK编码实现简单，但由于振幅很容易受噪声的影响，故其抗干扰性差。振幅的等级越多，每次改变时可表示的二进制数据越多。例如：4个振幅等级，每次改变可以表示2个比特；8个振幅等级，每次改变可以表示3个比特；2n个振幅等级，每次改变可以表示n个比特。,数字模拟编码FSK（FrequencyShiftKeying，频移键控）,FSK是通过改变信号的频率来表示二进制0、1的，而振幅和相位则保持不变。在每个比特时延中信号的频率是一个常数。由于噪声对频率的影响很小，故FSK的抗干扰性要比ASK强些，但由于FSK技术是通过改变频率来表示二进制的，因此FSK技术会受到介质带宽的影响。,数字模拟编码PSK（PhaseShiftKeying，相移键控）,PSK是通过改变信号的相位来表示二进制0、1的，而振幅和频率则保持不变。相位的等级越多，每次改变时可表示的二进制数据越多。例如：4个相位等级，每次改变可以表示2个比特，称为4-PSK；8个相位等级，每次改变可以表示3个比特，称为8-PSK；2n个相位等级，每次改变可以表示n个比特，称为2n-PSK。,数字模拟编码星座表与星座图,星座表可以用列表的方式记录相移键控的相位值。星座图可以用坐标的方式记录相移键控的相位值。,2-PSK,4-PSK,数字模拟编码QAM（QuadratureAmplitudeModulation，正交调幅）,正交调幅编码技术是将幅移键控和相移键控以某种方式结合起来的一种编码技术，以求得到更多的信号状态。,模拟模拟编码,模拟模拟编码是用模拟信号来表示模拟数据。模拟模拟通信的典型例子就是收听无线电台的无线电波信号。使用模拟信号来传输模拟数据仍需要调制的主要原因有两个：一是为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率；二是通过调制就可以使用频分复用技术。模拟数据的调制技术主要有三种：调幅（AmplitudeModulation，AM）、调频（FrequencyModulation，FM）以及调相（PhaseModulation，PM）。,多路复用,为了有效地利用传输系统，把多路信号放在同一个媒体上进行传输，就是多路复用。多路复用技术主要有三种：,用于模拟信道传输。在信道的可用频带（带宽）上同时传输多个频率不同的模拟信号，每路信号占据其中一个频段。接收方用适当的滤波器将多路信号分开，再分别进行解调和终端处理。最常见的例子就是有线电视系统（CATV）中的信号转输。,多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用）,用于数字信道传输。将使用信道的时间分成一个个的时间片（时隙），按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输。时分多路复用技术又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。统计时分多路复用根据用户实际需要动态分配线路资源，效率更高。,多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing，时分多路复用）,用于光纤传输，是FDM的一个变例。利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。接收方采用波分设备分离不同波长的光。,多路复用WDM（WaveLengthDivisionMultiplexing，波分多路复用）,接收方为了能够正确读取发送方发出的数据，必须清楚数据帧发送的开始位置和结束位置，这就需要同步控制。异步传输以字节为单位传输数据，采用比特形式的同步信号，发送端和接收方具有相互独立的时钟，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。同步传输以数据帧为单位传输数据，采用字节形式或位组合形式的同步信号，由发送端或接收方提供专用于同步的时钟信号。,同步控制,同步控制,接收方为了能够正确读取发送方发出的数据，必须清楚数据帧发送的开始位置和结束位置，这就需要同步控制。多路复用技术主要有三种：,起停同步控制,字符逐一传输，并且传送一个字符时总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。例如：,SYN同步控制,一次传送由若干个字符组成的数据帧，而不是只传送一个字符。采用SYN、SOH、STX、ETX等特殊字符进行同步控制。如果被传送数据中包含同步控制使用特殊字符，需要进行转义，或者称为字符填充。例如IBM公司的二进制同步传输协议BSC：,标志同步控制,一次传送由任意比特组成的数据帧，而不是单个字符。靠约定的比特组合模式标志帧的开始和结束。如果被传送数据中包含同步控制使用的比特组合，需要进行比特填充以避免混淆。例如HDLC（HighLevelDataLinkControl，高级数据链路控制）。,物理层编码违例同步控制,适用于那些在物理介质的编码策略中采用冗余技术的网络。以特殊的非数据信号表示帧的开始和结束。例如使用差分曼彻斯特编码的令牌环网。,交换技术,电路交换与存储转发,电路交换方式就是在两个站点之间建立一条专用的通信通路。优点是传输迅速、延迟稳定并且保持发送时的传输次序。缺点是线路利用率低。,存储转发交换不需要建立起物理的接续通路，而是以接力方式，数据报根据报头信息在网络节点之间逐段传送，直到目的节点。优点是线路利用率高。相对电路交换，传输速率低，延迟不稳定，而且不一定能保持发送时的次序。,空分交换与时分交换,空分交换就是不同信号通路之间从物理上被分隔开（空间分隔）的交换。,时分交换实际上是时分多路复用（TDM）技术在交换系统的应用。,报文交换与分组交换,报文交换中，报文完整地在网络中逐个节点地向前传送。报文越大传输延迟越大，并且出错重传的代价越大。,分组交换中，发送节点将大的报文分割为若干个小的分组，再进行传输，接收方最后再重组报文。与报文交换相比，分组交换的传输延迟相对较小，出错重传的代价相对较低。与报文交换相比，分组交换增加了传输的开销。,虚电路交换与数字报交换,在数据报交换中，每个分组被独立处理。分组到达目的地的顺序可能和发送的顺序不一致，目的节点必须对收到的分组重新排序以恢复原来的信息。难以进行流量控制和差错控制，因此传输的可靠性相对较低。,虚电路通信之前，要在发送节点和目的节点之间建立一条逻辑的数据转发信道。该信道是通过各中间节点交换机的路由表映射功能实现的，因此又称为虚电路。与数据报交换相比，虽然增加了虚电路管理方面的工作，但每个分组无需单独进行路由计算，可以减少中间节点的处理时间。另外，虚电路交换方式能更方便地实现流量控制和差错控制。,交换虚电路与永久虚电路,虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除，这叫做交换虚电路（SVC，SwitchedVirtualCircuit），或呼叫虚电路。在某些情况下，当网络节点对信息流量的控制较好且不拥挤时，可考虑采用永久虚电路（PVC，PermanentVirtualCircuit）。永久虚电路即通信双方不管是否在通信，都永远存在一条虚电路，这种虚电路省去了虚呼叫和虚拆除的过程。,几种交换方式的比较,流量控制,流量控制技术是用来限制发送方发送的数据流量，使其发送速率不要超过接收方的接收处理速率，以免“淹没”接收方的一种技术。流量控制方案的基本原理都是相同的，比如限制发送方何时发送下一数据，在未获得接收方允许前，禁止发送数据等。通常，接收方都会维护一个一定大小的缓冲区，当有数据到来时，接收方一般先把数据缓存起来，然后进行处理，处理完后清除缓冲区，开始接收下一批数据。常见的流量控制协议有停等协议和滑动窗口协议。停等协议在传输延迟比较大时，显得性能比较低。采用滑动窗口协议可以在保证接收方不被“淹没”的前提下，尽可能提高传输的效率。,滑动窗口协议,滑动窗口协议与停等协议的不同是它允许连续发送多个数据帧而无需等待应答。其实现原理是：对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送；同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接收。通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制，就象通过阀门控制水流速度一样。,差错控制,奇偶校验码,奇偶检验通过增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验）。这种方法简单实用，但只能检查出奇数个错误。,偶校验,奇校验,海明码海明距离,一个编码系统中任意两个合法编码（码字）之间不同的二进数位（bit）的个数叫这两个码字的海明距离（HammingDistance），也叫做码距。例如，ASCII码中“1”的码字为0110001，“2”的码字为0110010，“3”的码字为0110011，则“1”与“2”之间的海明距离为2，“1”与“3”之间的海明距离为1，“2”与“3”之间的海明距离为1。整个编码系统中任意两个码字的最小距离就是该编码系统的海明距离。以ASCII码为例，虽然“1”与“2”之间的海明距离为2，但“1”与“3”之间的海明距离为1，按最小距离取值，得知ASCII码的海明距离为1。,海明码海明距离的纠错原理,若海明距离d为奇数，如果传输中发生错误，只要每个编码的错误位数不超过d，则必定不是个有效的编码，接收方就可以将其识别出来。因此对于编码系统来说，d位的海明距离则可以发现（d-1）位错。ASCII码的海明距离为1，意味着ASCII码不具备发现错误的能力。当编码发生错误时，接收方可以对编码系统进行对比，寻找与错误编码最贴近（海明距离最小）的一个编码，只要编码中的错误位数不超过abs(d-1)/2)时（abs为取绝对值函数），与错误编码最贴近的那个编码就是错误编码对应的原始编码。这就是海明距离的纠错原理。,海明码海明码的纠错能力,海明码将信息用逻辑形式编码，在m个数据位之间插入r个校验位，每一个校验位被编在传输码字的特定位置上，全部传输码字由原来的信息和附加的校验位组成。海明码要采用这种码字能够纠正所有的单个错误。如果一个帧包含m个数据位和r个校验位，则帧的总长度n=m+r。在编码系统中总共有2n个码字，其中有效码字只有2m个。要保证有效报文各对应n个无效的码字，它们与该报文的距离为1。这些无效的码字可以由有效码字的n位逐位分别取反所得到的，从而每个有效的码字都应该对应有n+1个码字（n个无效码字+1个有效码字）。为了使编码系统能够纠正单个错误，必须有2n(n+1）2m。由n=m+r可以得出校验位数目必须满足2r(m+r+1)。,海明码海明码的编码规则,设r个校验位为PrPr-1P1，m个数据位为DmDm-1D1，海明码为Hr+mHr+m-1H1，则有：Pi在海明码的第2i-1位置，也即Hj=Pi，j=2i-1，数据位则依序从低到高占据海明码中剩下的位置。例如，对于8位数据位进行海明校验，根据公式需要4位校验位。海明码的生成方法如下表所示，其中，检验位在表格中用蓝色背景标示。,海明码海明码的校验关系,海明码海明码的校验公式,海明码海明码的纠错过程,按照海明码的原理，当码字中出现一位错误时，海明码能够进行识别和纠错。海明码的纠错也需要计算检验4个公式，如果发现有一个公式的计算结果不为0，则说明该公式中的某一个位存在错误；如果计算结果为0，则说明该公式内的位没有错误。找到一个位，它存在于每个计算结果为的公式，但又不存在于每个计算结果为0的公式，将该位反向，就完成了纠错过程。,CRC码生成多项式,CRC（CyclicRedundancyCode，循环冗余码）又称为多项式码（PolynomialCode），它是一种基于模2运算的校验码，其检错能力非常强，并且容易采用硬件电路实现。CRC编码的基本思想将位串看成系数为0或1的多项式。一个n位的帧被看成是n-1次多项式的系数列表。最左边是xn-1项的系数，接着是xn-2项的系数，依此类推，直到X0项的系数。例如：多项式x4+x+1相当于1*x4+0*x3+0*x2+1*x1+1*x0，因此其对应的二进制串为10011。,CRC码计算方法,CRC编码通过模2运算来建立有效信息和校验位之间的约定关系。模2运算相当于异或运算。计算CRC编码前，发送方和接收方必须事先约定一个生成多项式G(x)，生成多项式的最高位和最低位都是1。例如：x4+x+1是一个4阶的生成多项式。CRC算法的思路是将校验和加在被校验数据帧的末尾，使得这个带校验和的帧的对应多项式M(x)可以被生成多项式G(x)除尽。接收方收到这个带校验和的帧后，如果发觉无法被G(x)除尽，则说明数据出错。,CRC码示例,计算得到CRC校验码为0100。,CRC码校验能力,主要的CRC生成多项式有：CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT：G(x)=x16+x12+x5+1CRC-32：G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1CRC的检错能力很强，以CRC-16或CRC-CCITT为例，它可以捕捉到所有的单位错误和双位错误、所有的奇数位数的差错、所有长度小于或等于16位的突发差错、99.997的长度为17位的突发错误以及99.998的长度为18位或多于18位的突发错误。,差错控制ARQ（AutomaticRepeatRequest，自动请求重发方式）,ARQ的工作原理是：发送方对所发送的序列进行差错编码，接收方根据检验序列的编码规则判断有无错误。若发现错误，则利用反向信道要求发送方重发出错的信息，直至接收方检验无误为止，从而达到纠正差错的目的。常用的三种形式的ARQ协议分别为停等ARQ协议，后退N帧ARQ协议和选择重传ARQ协议。,差