《网络工程师认证》课件4.通信基础

1、 Part IV数据通信基础3学时大纲要求（4）熟悉数据通信的基础知识； 3.3 数据通信基础3.3.1 信道特性3.3.2 调制和编码 ASK 、FSK 、PSK 、QPSK 抽样定理、PCM 编码 3.3.3 传输技术 通信方式（单工/半双工/全双工、串行/并行）大纲要求（4）熟悉数据通信的基础知识； 3.3 数据通信基础 3.3.3 传输技术 差错控制 同步控制 多路复用3.3.4 传输介质 有线介质 无线介质3.3.5 线路连接设备（调制解调器、DSU 、DCU ）3.3.6 物理层主要知识点1. 基础概念4. 数据通讯理论基础3. 传输介质和通信电缆4. 编码和传输5. 传输技术6.

2、 传输控制7. 交换技术8. 公用网络和租用网络9. 网络通信设备10.网络连接设备11. 典型试题分析4.1 基础概念单工、半双工、全双工模拟和数字周期信号简单信号和复合信号振幅、周期和相位数字信号分解介质带宽和有效带宽信道容量串行与并行一对一通信与一对多通信资源子网和通信子网资源子网:实现资源共享功能的设备及其软件的集合通信子网:实现网络通信功能的设备及其软件的集合模拟与数字模拟信号：随时间变化而平稳变化的连续波形式。数字信号：从一个值到另一个值的转换是瞬间发生的。数字信号模拟信号模拟：意味着连续的量。数字：意味着离散的量。周期信号如果一个信号能在一个可测量的时间内，完成一种称作周期的模式

3、，并且在随后的同样长短的周期内不断重复这种模式，这个信号就是周期性的。简单信号和复合信号模拟信号可以被分为简单信号或者复合信号。简单信号是不能被分解为更简单的模拟信号。复合信号可以被分解为多个简单信号。a)简单信号b)复合信号模拟信号三要素振幅：在波上任一点信号的值。它等于波形上给定点到水平轴的垂直距离。周期：完成一个波形循环所要经历的时间（频率1/周期）相位：描述了波形相对与时间轴零点的位置。最大值最小值波特率和比特率波特率:每秒信号变换（振幅/相位/频率）的次数。波特率的单位是b/s。比特率:每秒传输的比特（数字信号0和1）数量。比特率的单位是bps。数字信号分解一个数字信号可以被分解成无

4、穷多个被称为谐波的简单正弦波，每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。当我们在传输媒体上发送数字信号时，其实在发送无穷多的简单信号。介质带宽和有效带宽介质带宽：传输介质有一个有限的带宽，它只能传某些频率范围内的信号。有效带宽：数字信号的频谱包括不同振幅的无数个频率，而我们只传输那些具有重要振幅的分量，我们可以已合理的精度在接收端复制出数字信号，其带宽称为有效带宽。信道容量一种传输介质可以传输的最大比特率称为介质的信道容量。信道容量大小依赖于编码技术种类和系统信噪比。基带传输在信道中传输的原始数字电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。如从计算机到监视器

5、、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网和令牌环网。宽带传输通过借助频带传输，宽带传输可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。 当采用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的频带，对应基带传输将其称之为频带传输串行与并行并行传输：两个短距离的设备之间的传输，如打印缆。串行传输：远距离的设备之间的传输，便宜、可靠、速度慢。设备1设备201101100设备1设备2011011000 1 1 0 1 1 0 0发送01101100 从右到左a) 并行传输b) 串行传输异步与同步 异步

6、传输： 每个被传送的字符前有起始位，后有停止位。 速率慢，开销大，适用于低速设备。 同步传输： 字符组合成数据帧成组发送 数据帧包含一组同步字符使收发双方进入同步。 传输速度快，开销少。异步与同步数字通信的基本要求：接收方必须知道它所接收的每一个位的开始和持续时间。异步传输：将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达，一次传输一个字符，用起始位引导，用停止位结束异步与同步同步传输：传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符（每个字符都有自己的开始位和停止位）；而是把它们组合起来一起发送，我们将这些组合称

7、为数据帧，或简称为帧。面向字符的同步传输：每个数据块以一个或多个同步字符作为开始，以惟一的后文字符结束面向位的同步传输（HDLC,高级数据链路控制、SDLC,同步数据链路控制）：数据块作为位流来处理图 异步传输和同步传输 单工/半双工/全双工单 工：信号只能在一个方向上传输半双工：通信可以在两个方向上传输，但不同时全双工：通信可在双方向同时进行 设备设备设备设备设备设备一对一通信与一对多(广播)通信4.2 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g(t)，都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成。4.2 数据通信理论基础尼奎斯特定理：任何带宽为H Hz，调制的码元为V，理想信道的数据传

8、输为尼奎斯特证明:如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样的2H就能完整地重现通过这个被滤波的信号。数据通信理论基础香农公式:任何带宽为H Hz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输速率为：例如:一条带宽为3000Hz，信噪比为30db的信道，不管使用多少信号级电平，也不管采用多大的采样频率，都不能以大于30000b/s的速率传输数据。注：30db表示S/N=103=1000。4.3 传输介质和通信电缆4.3.1 双绞线概述4.3.3 同轴电缆4.3.4 光纤4.3.5 无线传输4.3.1 双绞线概述双绞线的两种类型双绞线的结构双绞线的颜色双绞线的接头(RJ45)双绞线的线材等级

9、 双绞线的两种类型非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted-Pair, UTP)屏蔽双绞线(Shielded Twisted-Pair, STP)比UTP多一层屏蔽层 双绞线的结构(1) 双绞线的结构(2)双绞线色序号12345678颜色橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕EIA/TIA-568B标准 双绞线的接头(RJ45)正面侧面 双绞线的线材等级类别最大传输速度应 用1类2Mbit/s模拟和数字语音(电话)通信以及低速的数据传输。2类4Mbit/s语音、ISDN和不超过的4Mbit/s的局域网数据传输。3类16Mbit/s不超过16Mbit/s的局域网数据传输。4类20Mbit/s不超过2

10、0Mbit/s的局域网数据传输。5类100Mbit/s100Mbit/s距离100米的局域网数据传输。E5类1000Mbit/s1000Mbit/s的局域网数据传输6类4.4Gbit/s1000Mbit/s以上的的局域网数据传输。4.3.3 同轴电缆 同轴电缆的结构同轴电缆的分类和技术标准 同轴电缆的结构同轴电缆的类型和技术标准类型技术标准细缆粗缆直径0.25英寸0.5英寸传输距离185m500m接头螺旋形BNC头(端接)T形头(分接)AUI阻抗50 50 应用的局域网类型10Base2(细缆以太网)10Base5(粗缆以太网)4.3.4 光纤 光纤的结构光纤的尺寸光纤的类型光纤通信系统光纤的

11、结构光纤的尺寸描述光纤尺寸的参数有两个：内芯直径和反射层直径，其度量单位都为微米(m, 1m=110-6m)。最细的光纤其内芯直径通常只有510m，粗一些的光纤其内芯直径为50100m。局域网中最常用的光纤是64.5m/125m的光纤，其中64.5m是内芯直径，而125m是反射层的直径。光纤的类型多模光纤(Multimode Fiber, MMF)光信号不止一种波长，常用多模光纤中主要有Ala类50/125m和Alb类64.5/125m两种类型。单模光纤(Singlemode Fiber, SMF ) 光信息只有一种波长，典型的单模光纤尺寸为8m/125m光纤的类型(1)单模光纤：由激光作光源

12、，芯线较细，仅有一条光通路，其特点是传输频带宽、信息容量大、传输距离长(2公里以上)，但成本较高，通常用于远距离传输数据。 (2)多模光纤：由二极管发光，芯线较粗，其特点是传输速度低、传输距离短(2公里以内)、传输性能较单模光纤差，但成本相对较低，主要用于较小范围内的数据传输，如在同一建筑物内或相邻较近(2公里以内)的环境中使用。 模是指以一定角度进入光纤的一束光，单模与多模光纤光源的不同决定了其传输容量和质量。光纤的类型光纤通信系统4.3.5 无线传输介质红外线无线电波 红外线 红外线红外线(Infrared, IR)技术广泛的应用在电视机和立体声系统的遥控器中，也可以做为网络通信的介质。它

13、通过使用位于红外频率波谱中的锥形或者线型光束来传输数据信号。红外网络需要通信的双方设备都拥有一个收发器，最好还有同步软件。传输速度4Mbit/s16Mbit/s。红外线是一种视线技术，不能通过不透明的物理(如墙壁)，并且易受外界光线干扰。 无线电波 窄带无线电波 发射器与接收器使用相同的频率传输信号，如广播收音机。容易被非法听众截获信号。 扩频无线电波 (1)跳频扩频(Frequency hopping spread spectrum, FHSS) (2)直序扩频(Direct sequence spread spectrum, DSSS)4.4 编码和传输 编码类型： 数字-数字 数字-模拟

14、 模拟-数字 模拟-模拟模数转换模拟信号 脉冲幅度调制信号111110101100011010001000111110101100011010001000数字化编码为：001-010-101-110-111-110-101-011-010-010-011-100模拟信号数模转换数字化的好处1. 数字传输的出错率低4. 能更有效的利用线路3. 价格便宜4. 维护方便数字化传输需要考虑的问题直流分量：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，接受端无法知晓每比特的开始和结

15、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 单极性编码 非归零编码（非归零电平编码、非归零反相编码） 归零编码 双相位编码（曼彻斯特编码、差分） 信号交替反转码011010011单极性编码非归零编码(NRZ)011010011(NRZ-L电平编码)(NRZ-l反相编码)归零编码正电压=1 负电压=0 直流分量基本抵消Manchester码与差分Manchester码011010011上：Manchester码 下：差分Manchester码信号交替反转码AMI模拟-数字编码脉冲振幅调制PAM：通过接收模拟信号，对它进行采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲

16、。（采样指每隔相等的时间间隔就测量一次信号振幅。）脉冲编码调制PCM：将脉冲振幅调制PAM所产生的采样结果进行处理，将其完全数字化。为实现这一目的，要首先对PAM的脉冲进行量化。（量化是一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值的方法。）PCM技术实际上由四个独立过程组成：脉冲振幅调制PAM、量化、二进制编码、数字-数字编码。数字-模拟编码幅移键控ASK：通过改变信号的强度来表达二进制0、1，而振幅改变的同时频率和相位则保持不变。缺点是受噪声的影响很大。频移键控FSK：通过改变信号的频率来表达二进制0、1，而频率改变的同时振幅和相位则保持不变。FSK技术的限制因素是载波的物理容量。数字-模拟编码

17、相移键控PSK：通过改变信号的相位来表达二进制0、1，而相位改变的同时频率和振幅则保持不变。PSK技术受到设备检测相位变化能力的限制。正交调幅QAM：将ASK和PSK以某种方式结合起来，采用正交编组的方式提高抗干扰能力，使得传输率比单采用ASK或PSK为高。模拟数据编码1 0 1 0 1 0 1 0 1ASK移辐键控法，有载波为1，无载波为0模拟数据编码2 0 1 0 1 0 1 0 1FSK移频键控法，高频为1，低频为0模拟数据编码3 0 1 0 1 0 1 0 1PSK移相键控法，正相为1，反相为0正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(

18、r, )可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。 举例模拟数据编码4正交调幅QAM模拟转数字A/D 采样、量化、编码 采样定理：采样频率大于等于有效信号最高频率2倍（带宽），采样值能包含原始信号的全部信息。 量化：将连续模拟信号化分成时间轴上的离散值。4舍5入取整数。 编码：将离散值按位数排成2进制数码。4.5 传输技术4.5.1 多路复用4.5.2 流量控制技术4.5.

19、1 多路复用时分复用TDM频分复用FDM波分复用WDM时分复用TDM信号在交替的时隙中传输 适用于数字信号S1S2S3S4Bt4 t3 t2 t1t4 t3 t2 t1S1S2S3S4At4 t3 t2 t1一、T1载波（T1 Carrier ）T1载波是专用电话连接、时分多路数字传输设施。T1 线路实际上是由24个单独的通道组成的，每个通道支持 64K 比特/秒的传输速度,其中数据速率为56Kb/s。（1） T1载波支持的数据传输速率为1.544Mbps （即 193bit/125us=1.544Mbps)（2）每个通道支持 的数据速率为 56Kb/s ，传输速度为64Kb/s(因为传输速度

20、= 1.544Mbps/24=64Kb/s；而每路的8位中，只要7位是用于用户数据，所以数据速率=7/8*64=56Kb/s)（3）T1载波开销所占比例为13% 。(因为一帧193bit中，168bit（247）用于用户数据，25bit（193-168）用于开销。所以开销所占比例=25bit/193bit13%)一、T1载波（T1 Carrier ）1）T1载波支持的数据传输速率为1.544Mbps2）T2载波复用4个T1线路：4*1.544Mbps = 6.312Mbps3）T3载波复用7个T2线路：7*6.312Mbps = 44.763Mbps4）T4载波复用6个T3线路：7*44.76

21、3Mbps = 274.176Mbps二、E1载波（E1 Carrier）E1载波是一种4.048Mbps速率的PCM载波。采用同步时分复用技术将30个话音信道（64K）和个控制信道（16K）复合在一条4.048Mb/s的高速信道上。（1） E1载波支持的数据传输速率为4.048Mbps （即 256bit/125us=4.048Mbps)（2）每个通道支持 的传输速度（或数据速率）为 64Kb/s (因为每个时隙在E1帧中占8bit，8*8k=64k，即一条E1中含有32个64K，则 4.048Mbps/32=64Kb/s)（3）E1载波开销所占比例为6.25% 。因为一帧32个时隙中，30

22、个用于用户数据，2个用于开销。所以开销所占比例=2/32=6.25%一、E1载波（E1 Carrier ）E1信号格式携载速率为每秒4.048兆比特的数据并且能携载32个信道，每个信道64Kbps。E1携载的数据率比T-1高（T-1为每秒1.544兆比特）。E2（E-2）是一条携载4倍E1信号的线缆，速率为每秒8.488兆比特。 E3（E-3）携载16倍E1信号，速率为每秒34.368兆比特。 E4（E-4）携载4个E3信道，速率为每秒139.264兆比特 E5（E-5）携载4个E4信道，速率为每秒565.148兆比特。频分复用FDM每条信道被分配给不同的频率 适用于模拟信号Telephone

23、TelephoneTelephoneTelephone108KhzChannel BankModulatorLine Signal104Khz100Khz64Khz波分复用WDM不同的信号被携载在不同的光的波长上用于光缆传输的网络4.6 交换技术交换技术线路交换存储转发报文交换分组交换数据报方式虚电路方式电路交换直接的交换方式 真实、专用的物理链路 存储转发报文交换分组交换无论通信系统如何可靠，通信过程中都会出现差错，其差错大致可发为两类：一类是由热噪声引起的随机错误；另一类是由冲击噪声引起的突发错误。如何发现和纠正信号的差错，主要方式有以下三种：检错码海明码循环冗余校验码 CRC4.7 差错

24、控制奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在7单位的ASCII代码后增加一位，使码字中1的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位出错，则接收端按同样的规则就能发现错误，这种方法简单实用，但只能对付少量的随机性错误。检错码海明距离是一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数。海明码：用冗余数据位来检测和纠正代码差错。把所有合法的码字尽量安排使得任一对码字之间的距离最大。如果任意两个码字之间的海明距离是d，则所有少于等于d-1位的错误都可以检查出来。所有少于d/2位的错误都可以纠正。对于m位的数据，要纠正单个错误，则海明码位数k需满足：m+k+1=2k海明码CRC校验采用多

25、项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n阶的二进制多项式采用CRC校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x),并且g(x)的首位和最后一位的系数必须为1。CRC的处理方法是：发送方以g(x)去除t(x)，得到余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0为据，判断数据帧是否出错。多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法相同。多项式的加减法运算以2为模，加减时不进，错位，和逻辑异或运算一致。循环冗余校验码 CRCCRC校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n阶的二进制多项式CRC校验可以100地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于k(k为g(x)的阶数)的突

26、发错误。所以CRC的生成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。 循环冗余校验码 CRCCRC-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-32用于许多局域网中。常见CRC码近年真题 设信号的波特率为 600Baud ，采用幅度相位复合调制技术，由 4 种幅度和 8 种相位组成 16 种码元，则信道的数据率为 _( 14） 。 （ 14 ） A. 600b

27、/s B. 2400 b/s C. 4800 b/s D. 9600 b/s 【参考答案】 （14）B2005下半年网络工程师上午试卷双极型 AMI 编码经过一个噪声信道，接收的波形如图 3 所示，那么出错的是第 _(15)_ 位。 （ 15 ） A. 3 B. 5 C. 7 D. 9 【参考答案】（15）C 2005下半年网络工程师上午试卷 双绞线可以制作成直连线和交叉线两种形式，两个交换机的 UPLINK 口相连，使用的双绞线制作成什么形式？连接交换机和计算机的双绞线制作成什么形式？ 【参考答案】：交换机和交换机之间采用交叉线形式。 交换机和计算机之间采用直连线形式。2005下半年网络工程

28、师下午试卷 设信道的码元速率为300波特，采用4相DPSK调制，则信道的数据速率为_(26)_b/s.（26） A、300B、600 C、800 D、10002004年下半年网络工程师上午试卷 【参考答案】 ：（26）B9 将双绞线制作成交叉线（一端按EIA/TIA 568A线序，另一端按EIA/TIA 568B线序），该双绞线连接的两个设备可为_(64)_。（64） A.网卡与网卡 B.网卡与交换机 C.网卡与集线器D.交换机的以太口与下一级交换机的UPLINK口2004年下半年网络工程师上午试卷 【参考答案】 ：（64）A 下图中画出曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图，实际传送的比特串

29、为（28）。A0 1 1 0 1 0 0 1 1B0 1 1 1 1 0 0 1 0C1 0 0 1 0 1 1 0 0D1 0 0 0 0 1 1 0 1【参考答案】：（28）A2005年上半年网络工程师上午试卷若信息码字为 11100011 ，生成多项式 G(X)=X 5 +X 4 +X+1 ，则计算出的 CRC 校验码为 _(16)_ 。 （ 16 ） A. 01101 B. 11010 C. 001101 D. 0011010 【参考答案】（16）B2005下半年网络工程师上午试卷使用海明码进行前向纠错，如果冗余位为4位，那么信息位最多可以用到（26）位，假定码字为a6a5a4a3a2

30、a1a0，并且有下面的监督关系式： S2=a2+a4+a5+a6 S1=a1+a3+a5+a6 S0=a0+a3+a4+a6若S2S1S0=110，则表示出错位是（27）。(26)A6 B8 C、11 D16(27)Aa3 Ba4 Ca5 Da6【参考答案】（26）C （27）C2005年上半年网络工程师上午试卷 光纤通信中使用的复用方式是_(27)_。E1载波把32个信道按_(28)_方式复用在一条4.048Mb/s的高速信道上，每条话音信道的数据速率是_(29)_(27) A、时分多路 B、空分多路 C、波分多路 D、频分多路(28) A、时分多路 B、空分多路C、波分多路D、频分多路(29) A、56Kb/s B、64Kb/sC、128 Kb/sD、512Kb/s2004年下半年网络工程师上午试卷 【参考答案】 （27）C （28）A （29）B 10个96Kbs的信道按时分多路复用在一条线路