计算机网络通信基础

1、通信基础一、基本概念数据通信是指在不同的计算机或设备之间传输及表示二进制位序列的模拟信号或数字信号的过程。通信中 产生和发送信号的一端叫做信源，接受信号的一端叫做信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。模拟和数字在数据通信系统中，数据可以用模拟信号和数字信号两种方式表示。模拟信号和数字信号都有两种表示形式：周期信号与非周期信号。使周期信号函数重复的 最小时间间隔称为基波周期T。模拟信号是连续变换的量（分为简单信号和复合信 号，而复合信号可以有多个简单信号组成）数字信号是离散的量模拟信号三要素：振幅A、周期T和相位U模拟信号三要素：振幅、周期和相位波特率、码元速率与比特率波特率是指单位时间内信号

2、波形所能达到的最大变换次数，单位为波特/秒（Baud/s Bps Hz）； 在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元，一次脉冲的持续时间称为码元的宽度。码元速 率表示单位时间内信号波形的最大变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数； 单位时间内在信道上传送的数据量（即位数）称为数据数率，又称为比特率，单位为bps 频谱与带宽信号频谱是信号的所有分量的频率的集合。带宽是频谱的宽度，即频谱中最高频率与最低频率的差值。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。介质带宽是有介质本身所决定的，它是介质

3、的一个物理 特质。数字信号与模拟信号的频谱包括不同振幅的多个频率。但在传输过程时不一定能够传输原始信号频谱 的全部频率，而只能传输那些具有重要振幅的分量。这一部分被传输分量的频率组成的频谱叫做有效 频谱，其带宽称为有效带宽。信道容量传输介质在单位时间内所能传送的最大信息量（即传输介质的最大比特率）称为信道容 量。信道容量的大小是由介质带宽和调制技术决定的。传输模式数据的传输模式有三种：单工模式、半双工模式和全双工模式单工模式数据信号只能在一个方向上传送。半双工模式数据信号可以交替在信道上发送与接收。全双工模式数据信号同时进行双向传输 通信模式4中通信模式：单播、广播、组播和任意播单播“一对一”

4、广播“一对所有”组播“一对一组”任意播允许发送者将数据包发送给一组接收者中任意一个，这些接受者共享一个任意播地址。二、数据通信理论基础大傅立叶分析大尼奎斯特定理大香农公式用信号功率与噪声功率的比值来衡量噪声，该比值称为信噪比。在实际情况中，由于信噪比的值太大，通常用分贝（dB）描述。？香农总结出有噪声信道的最大数据传输率：一条带宽为H Hz、信噪比为S/N的有噪声 信道的最大数据传输率V为？三、传输介质传输介质大致上可以分为有线介质和无线介质。有线介质有线介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。同轴电缆广泛使用的：基带同轴电缆（粗同轴电缆和细同轴电缆）、宽带同轴电缆双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）和

5、屏蔽双绞线（STP）光纤光线在光纤信道中的传播模式有多模传播和单模传播两种。多模传播有分为阶跃模式和渐变模 式两种类型。（单模光纤SMF、多模光纤MMF，多模阶跃光纤和多模渐变光纤）用于无线通信的介质为电磁波，其传播速度等于光速，根据其频谱可分为无线电波、微波、 红外线和激光等。无线电传输无线电波的特性与频率有关：在低频部分，无线电波能很轻松地穿越障碍物，但当其传播 越来越远时，能量会急剧减少；在高频部分，无线电波接近直线传播，很容易受到障碍物 哦阻挡。 无线电频段微波传输多径衰减卫星传输每一颗卫星使用两个频段用于发送和接受。从地面向卫星的传输称为上行，从卫星到地面 的传输称为下行。VSAT（

6、甚小口径终端），是一种天线口径很小的卫星通信地球站。根据业务性质可分为数 据通信网、语音通信网和电视卫星通信网三大类。红外线传输激光传输四、编码和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，以便在信道上传 输。共有四种编码方式，数字数字编码、模拟-数字编码、数字-模拟编码和模拟-模拟编码。数字-数字编码在数字-数字编码中，常用的编码机制主要有三类：单极性编码、极化编码和双极性编码。单极性编码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。实现简单，但会出现两个问题： 直流分量和同步控制问题。极化编码采用两个电压值：正电压与负电压。双极性编码向归零编码一样，也用三个

7、电平值：正电平、负电平和0。1、非归零编码（NRZ）非归零编码有两种编码方式：NRZ-L （非归零电平编码）和NRZ-I （非归零反相编码）【在NRZ-L中，信号的电平时有它所代表的位决定的。正电压代表位1，负电压代表位2；在NRZ-I中， 信号电平的一次反转代表位1，没有电平变化代表位0。】NRZ-I编码虽然只解决了一半的同步问题，但由于NRZ-I每传输一位只需要一次信号变化，编码效率为 100%。2、归零编码（RZ）归零编码使用了三个电平：正电平、负电平和0电平。归零编码提供很好的同步机制，但由于每位需要两次信号变化，因此归零编码的编码效率只有50%，这 意味着归零编码的比特率只有波特率的

8、一半。3、双相位编码同归零编码类似，双相位编码在每位间隙的中间发生改变但并不归零，而是转向相反的极性。常用的双相位编码方式有两种：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码【曼彻斯特编码在每位间隙中间的电平跳变可以同时代表位和同步信息；需要两次信号变化来表示一位。 差分曼彻斯特编码的位间隙中间的跳变仅用于携带同步信息，不同位是通过在位间隙开始位置是否有电平 跳变来表示。每位的开始位置没有电平跳变表示位1，有电平跳变表示位0；需要两个信号变化表示位0， 而位1只需要一个。】4、双极性编码像归零编码一样，也用三个电平值：正点平、负电平和0。不同的是：0电平代表位0（或1），用正负电平 交替代表另一位。双极性编

9、码只需要一次电平变换就可以传输一个比特，因此它的编码效率达到100%。伪3进制编码0电平代表位1，正负电平交替代表位0。解决了一长串的位0存在同步问题，但1则 存在同步问题。AMI （信号交替 反转码）与伪3进制编码的规定相反，0电平代表二进制0，正负电平交替代表位15、mB/nB 编码mB/nB（mn）把m个比特的二进制数据块用n个比特的二进制数据块来表示。有4B/5B编码、8B/10B编 码、64B/66B编码。4B/5B编码在100Base Tx、100Base Fx和FDID等局域网标准中使用；千兆以太网中采用8B/10B编码；万 兆以太网中采用64B/66B编码。mB/nB编码的效率

10、计算公式为m/n*100%。以4B/5B编码为例，这种编码欲发送的数据流每4位作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成 相应5位码。5位码共有32种组合，但只采用其中的1种作为数据码对应4位码；其他的16种或者未用， 或者作为控制码用于表示帧的开始和结束、光纤线路的状态等。模拟-数字编码模拟-数字编码常用技术：PCM （脉冲编码调制）技术，以PAM （脉冲振幅调制）技术为基 础，常用于对声音信号进行编码。脉冲编码调制的缺点是编码产生的信息量比较大。为了压缩传输频带，可以采用几种压缩技 术。其中一种是DM （增量调制）。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

11、码。脉冲振幅调制量化量化是一个分级过程，把抽样取得的脉冲信号按照一定的分级转为对应的数字值，并且“取 整”。二进制编码如果有N个量化级，则量化值刻编码成log2N的二进制码字，该码字即为一个PCM编码 单元。数字-模拟编码一个正弦波（或余弦波）可由其三要素确定：振幅、频率和相位。在模拟传输中，发送设备产生一个高频 信号作为基波来承载信息信号，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受频率与载波 信号一致。数字信息通过改变载波信号的一个或多个要素被调制到载波信号上。载波信号波形的改变称为 移动键控，调制后的信息信号称为调制信号。数字-模拟编码主要技术有4种：幅移键控编码、频移键控编码

12、、相移键控编码和正交调幅编码。幅移键控（ASK）通过改变振幅的大小来表示位0和1的，而频率和相位则保持不变。哪种振幅表示0或1是由 设计者决定的，一般用大的振幅表示1，小的振幅表示0。在模拟信号中，表示一位所需的时 间称为位时延，在每位时延中信号的最大振幅是一个常数。频移键控通过改变信号的频率来表示位0和位1的，而振幅和相位保持不变。在每位时延中信号的频率（FSK）是一个常数。相移键控（PSK）通过改变信号的相位来表示位0和位1的，而振幅和频率则保持不变。2-PSK（2 相位 PSK）、4-PSK （4 相位 PSK）、8-PSK （8 相位 PSK） 绝对 PSK 倒n相位变化总数N与每次相

13、位变换所能代表的位数m有这样的关系：m=log2N（N是2的指数倍）。由于每波特携带 m位，因此比特率是波特率的m倍。例如，采用八相位时，一次可以发送3位（m=log2 8=3），若波特率为64K Baud/s，则比特率为192Kbps。差分相移键控（DPSK） ,DPSK波形的同一个相位并不一定代表相同的数字信号，而前后码元 的相对相位才能唯一地确定数字信息，所以只要前后码元的相对相位关系不破坏，就可正确回 复数字信息。正交调幅（QAM）将ASK和PSK以某种方式结合起来的一种编码技术。一般QAM编码技术所使用的相位变化 总数比振幅变化总数多。2振幅与4相位结合的8-QAM、2振幅与8相位结

14、合的16-QAM、4振幅与8相位结合的16-QAM模拟-模拟编码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。模拟数据调制技术有三种：AM （调幅）、FM （调频）和PM （调相）。五、传输技术通信协议，是指通信双方的一种约定，包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、 检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定。 多路复用技术FDM （频分多路复用）TDM （时分多路复用）当通信线路的数据传输能力大于各路信号的数据传输的总和时，可以在通信线 路上按不同的时间片来划分信道。TDM将使用信道的时间分

15、成一个个的时间 片，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，所以信号之间不会互相干扰。时间片的大小可以设为一次一位，一次一个字节，一次一个固定的数据块。 时分多路复用分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。WDM （波分多路利用）原理是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。稀疏波分复用（CWDM ）和密集波分复用（DWDM）DMT （离散多音）在不同的频率传输多个载波信号，在发送数据前首先在每路信道上发送测试信 号，然后根据信号传输质量的好快分配不同的比特流量，传输质量好的分配多 一点比特流量，传输质量差的分配少一点比特流量。TDM适用于数字信号，FDM适用于模拟信号。TDM在时域上各路信号是分割开的，但在频域上是混叠在一起的；FDM在频 域上各路信号是分开的，但在时域上各路信号是混叠的；TDM信号形成和分 离可通过数字电路实现，比FDM信号使用调制解调