通信网络基础知识梳理

通信网络基础知识梳理一、相关概念无源器件：指工作时不需要外部能量源的器件，电容电阻等有源器件：指工作时需要外部能量源的器件，该器件有个输出，并且是输入信号的一个函数,LED、比较器等高频通信的好处：1、无线通信中，为获得较高辐射效率，天线尺寸必须与波长差不多，因此只有高频（短波长）信号能满足要求。2、可把多个基带信号搬移到不同的频段的载波信号上，实现信道复用，提高信道利用率。3、频率越高，衰落越大，因此对基站的发射机有更高要求，同时其频段内用户数量少，抗干扰能力自然更好。模拟通信系统两种基本变换：1、发送端消息转换为电信号，接收端作逆变换2、基带信号变换为适合在信道中传输的信号，即调制和解调基带信号：频谱从零频附近开始的原始信号，如语音信号频谱300〜3400Hz,图像信号频谱0~6MHz带通信号：基带信号经调制后都具有带通特性，故称带通信号带宽与宽带：带宽定义一：两频率间的差值，即某个特定频率成分占据的频率范围。带宽定义二：单位时间内，通信网络中某一点到另一点所能传输的数据量。数字通信（二进制）带宽的计算公式是时钟频率*总线位数/8比特率和波特率：波特率:每秒传输码元个数（批注：每个码元可以取2、4、8...个可能值）比特率:每秒传输的二进制位数.单位bps两者关系：（比特率）S=（波特率）BLog2N（码元可能值的个数）讨论带宽时,一般采用波特率,讨论线路实际传输数据的能力时,一般采用比特率.宽带是相对窄带而言的,一般带宽较大,能满足一般需求的通信网络称为宽带.codedivisionmultipleaccess即cdma它不同于时分复用技术和频分复用技术，而是利用不同的如波形类特征来区分子信道，引用以前看到的网友的一个比方，一群人在一个大房子里，如果他们用一样的语言（波形）一起说话，我们就很难区分哪些信息是要接受的，但是如果他们使用不同的语言说话，我们就能够过滤掉那些不感兴趣的信息，这便是cdma的基础，因此不需要分频段或是时隙就可以同时传输多路信号，提升了信道利用率，进一步提升了传输速率。数字通信相对于模拟通信有很多好处，主要是抗干扰能力强、传输差错可控、安全性高等，但数字通信有一个缺点就是一般需要较大的传输带宽，以电话为例，一路模拟通话只占用4kHz带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话要占据20〜60kHz带宽。第三代：多媒体通信，相较于第二代主要是带宽的改进使得其具备传输图像、多媒体等数据的能力。同样使用了tdma和cdma技术，通信能力进一步提升。现在我们正在历经第四代通信技术的改革，其实纵观通信发展史，都是不断提升的用户需求拉动的变革，那话怎么说来着，没什么是革命性的，全是进化。通信、计算机或者说整个IT行，就是这样。我们网页开的慢啊，网银安全问题啊，游戏延时啊等等都是拉动技术变革的动力。三、通信业划时代事件1、莫尔斯电报：1844年5月24日，莫尔斯向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报：“上帝创造了何等奇迹！”，此举开创了人类用电信号传输信息的历史。（说到这里，还有一个故事必须提到，1912年“泰坦尼克”号撞到冰山后，发出电报“SOS,速来，我们撞上了冰山。”几英里之外的“加利福尼亚”号客轮本应能够救起数百条生命，但是这条船上的报务员不值班，因此没有收到这条信息。从此以后，所有的轮船都开始了全天候的无线电信号监听。）2、电话：1892年纽约芝加哥的电话线路开通。电话发明人贝尔第一个试音：“喂，芝加哥”，这一历史性声音被记录下来。PCM:pulsecodemodulation,脉冲编码调制。对音频、图像、视频信号的离散化、数字化的一种编码方式，由取样、量化和编码三个基本环节构成并行通信和串行通信：从原理上讲，并行通信拥有更多数据线，理应拥有更高的信息传输能力。但现实并非如此，因为并行传输的前提是各路信号同一时序传播且同一时序接收，时钟频率过高时各路信号难以合拍，布线稍有差异就会引起错误。另外，并行线路占用了更多空间，消耗更多成本。因此近几年串行通信技术回归主流，典型代表无疑就是USB同步通信和异步通信：同步通信要求发收双方具有同频的时钟信号，只要传送报文前添加同步字符即可;异步通信无需同步时钟，两字符间的时间间隔是不固定的，所以比较自由，但要求接收方时刻做好接收准备，异步通信的优点正在于此，缺点是每个字符帧都包含起始位和停止位，有效信息位占比降低。信道中的干扰分为有源干扰和无源干扰：有源干扰即来自外界的因素产生的干扰，一般指噪声;无源干扰即与外界因素无关的干扰，即信道本身传输特性不良。无线通信中，根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波分为地波、天波和视线传播三种：地波：频率较低，2MHz以下，沿地球表面传播，有一定绕射能力，传播范围数百千米到数千千米。天波：（2〜30MHz）依赖电离层（距离地面60~400千米）反射传播，通过这种方式覆盖到地面上可能不是连续区域。经多次反射后传播距离可达10000千米以上。视线：30MHz以上，即像光波那样沿直线传播，为了扩大传输距离，最简单的办法就是提升天线高度，有公式天线高度h=pow（d,2）/50,d为传输距离，由于视距传输距离有限通常可以采用无线电中继的方法，即多次转发实现远程通信。理论上有一个较好的方法全球覆盖，即用三个相对静止卫星做中继站，这样增加了一次转发可达距离，但是提升了对发射功率的要求，也增加了传输延时，另外发射卫星也是个巨大的工程。今年来一个类似的想法是平流层（17~22km）通信，即把基站用冲氮飞艇悬在半空，这样只要250个飞艇就能覆盖全球90以上人口和地区，性价比极高。有线信道主要分为明线（裸线，传输损耗低，但易受环境影响），双绞线（对称电缆）和同轴电缆。信道特性的描述可以用幅频特性或者相频特性，无失真的传输要求幅频特性曲线是一条直线，即振幅与频率无关，相频曲线为一条过原点的直线，即传输时延与频率无关。幅频特性不理想则称有频率失真、相位特性不理想则称为有相位失真，两种失真都是线性的，故可以通过线性补偿解决。热噪声，一种自然噪声，导线、电阻、半导体内部电子热运动产生的噪声，不可避免，也称白噪声，由于其噪声是自由电子运动产生，具有正态分布特性，故又称高斯白噪声。vsb残留便带调制是介于dsb双边带调制和ssb单边带调制之间的一种调制方式，它既克服了dsb信号占用频带宽的缺点，又解决了ssb信号实现中的困难。DSB一般用于点对点通信，其他应用较少。SSB一般用于频分多路复用系统，带宽利用和功率利用都较好。VSB抗噪声性能与频带利用率与SSB相当，一般用于电视广播系统。AM是最简单的调制方式，但抗干扰能力差，功率利用率低，一般用于中短波调幅广播。FM抗干扰能力强，在长距离高质量通信中常用，如卫星通信、调频广播电台等。数字调制与模拟调制基本原理相同，但数字信号具有取值离散的特点，一般有两种数字调制技术方法，一是用模拟调制的方法调制数字信号，将数字信号视为待调制信号的一个特例；而是使用键控法(2ASK,2FSK,2PSK)。模拟信号的数字化：抽样、量化、编码。其中量化分为均匀量化和非均匀量化，对小信号而言，信噪比较小，均匀量化并不科学，例如话音信号，因此有了A律和u律等非均匀量化法。我国采用的是A律13折线。美国日本使用的是u律。以A律13折线为例简要介绍编码方法，13折线法8位，cl位表示正负，c2〜c4位表示8个非均匀划分的段落，c5〜c8表示16个均匀量化的电平。按照加性干扰引起的错吗分布规律不同，信道分为三类：随机信道、突发信道、混合信道随机信道：错码随机出现，相互统计独立突发信道：错码集中出现，在一些短暂的时间片上集中，之后又存在较长的无错码段混合信道：上面二者共存的信道四种主要差错控制技术：1、检错重发：在发送时附加监督码元，接收端利用这些码元检测到有错时，通知发送端重发，它的局限是不能判断错码位置以及如何纠正，如奇偶校验。2、前向纠错(FEC：forwarderrorcorrection)：能纠正错码,优点是不需重发，没有因反复重发引发的时延。3、检错删除：即以码元为单位，发现错误码元即删除，这种方式使用于少数特定系统，那些即使删除部分码元不影响接受的系统。4、反馈校验：无需差错码元或监督码元，接收端接到码元后回发给发送端，在发送端进行比较，如一致则认为无错，否则重发。这种技术优点是简单易理解，缺点是需要双向信道且传输时间翻倍，且有可能发送过来时无错回发时出错也被判错，降低了传输效率。在评价信道的检错能力时有一个矛盾点，即检错能力与冗余度(监督码元数目与总码元数目之比)的矛盾，一般来讲，检错能力越强，需要越多的监督码元，冗余度也越高，作选择时应根据具体情况取舍。四个同步：1、载波同步：即在接收端产生一个和接收信号的载波同频同相的本地震荡，供解调器使用。2、码元同步：即在接收端产生一个与接收码元严格同步的时钟脉冲序列，确定接收码元的起止时刻，以便判决。3、群同步：即帧同步，即在发送端插入辅助同步信息，确定帧接收的起止时刻。4、网同步：在多个通信对象组成的数字通信网中，为了使各站点保持同步，还需解决网同步的问题。例如时分复用通信网中，为了正确地将来自不同地点的两路时分多路信号复接时，就需使各路信号同步后开始合并。有线通信和无线通信：1、理论上讲，无线通信速率要优于有线通信，无线通信介质是空气或真空，传输速率接近光速，有线通信是不可能达到的，一来介质的限定，而来不可能实现直线传播。假若实现月亮和地球的点对点通信，无线通信必须建立中继站，否则月球背对我们的时候是无法通信的2、有线通信开通必须架设电缆，面临挖沟和架线的问题，时间成本和材料、人力成本较高，另外，除电信部门外，其他部门没有在城区内挖沟铺设电缆的权力，相比之下，搭建无线通信系统成本更低另外时间成本优势在应急、抗灾时的无可替代性将被凸显3、有线通信系统的通信质量会随着线路扩展急剧下滑，超过5公里后误码率提升，传输速率下降，而对于无线扩频通信（扩展带宽）方式，50公里内几乎没有影响4、有线通信铺线受地理限制，不能任意铺设，无线通信覆盖范围广，几乎不受地理条件限制5、在后续改善通信方面，无线通信仅需架设扩频设备，而有线通信光缆深埋地底下，灵活性极低6、当出现故障时，有线网络需沿线检查，难以及时找出故障点，而无线扩频通信很容易试出故障点，维护扩频电台即可，可快速恢复通信。7、安全方面，无线电路可能被搭线监听，而无线扩频通信本身就起源于军事上的防监听，广袤的频带大大提升了监听的难度。综上，无线通信在时间、财力、人力上的低成本，安全性、灵活性、可维护性等方面具有很大优势。有线通信目前的优势在于媒介的限定提升了稳定性、减少了对人体辐射。无线通信信号较差原因在于母机与子机之间可能存在障碍物，而高频无线信号的衍射能力是比较弱的;此外也有可能是（来自家电）同频段信号的干扰IPV4:32位，约40亿个地址，这个分配是非常不均的，北美独占30亿个，中国才3千万，仅相当于一个麻省理工学院，擦IPV6:128位，多的不好形容了，一般用8*4个十六进制数表示0000：3333：6666：9999：CCCC：FFFF：0000：0000通信网：指多点之间传递信息的通信系统。（批注：仅两点间传递信息的通信系统称为专线）通信网的基本组成：终端设备、通信链路、交换设备，有些还有转发设备。通信链路：占用给定空域和频域的通信渠道。其占用的空域可以是大气层、水下或者人造电磁传到煤质，前者为无线通信，后者为有线通信。时分复用：TDMtime-divisionmultiplexing一条链路在不同时间段内可以被不同用户使用频分复用：FDMfrequency-divisionmultiplexing给定频带划分给不同用户使用，要求总频带大于各个子频带之和，同时为保证安全性，各个子频带之间会有一段隔离带信令：网络中传输的信号一般包括两部分，一是使用信息（语音、数据包等），二是控制信息（还有计费、监控信息等），即信令。终端设备：发送和接收信号的设备。包括电话机、传真机、电台、计算机交换设备：依照信令将通信链路传来的信号转接到另一条链路路由器：网络通信的交通警察，负责信息的分流，与交换机的区别在于，交换机处于osi模型的第二层数据链路层，而路由器处于第三层网络层。两者工作时使用不同的控制信息。综合业务数字网：IntegratedServicesDigitalNetwork,ISDN20世纪80年代诞生，主要是将电话、电报等低速率业务，综合在一个通信网中传输。随着视频、多媒体信号传输需求的逼近，传统的低速率（2Mb/s以下）传输已经不能符合需求了，随之诞生了宽带综合业务数字网BroadbandISDN，故将前者又称为窄带综合业务数字网NarrowbandISDN随后，随着通信技术向个人通信方向发展，蜂窝网应运而生通信网拓扑结构：1、网形：要求任意两节点间都有一条链路直接相连，故假设N个节点的话，会有N（N-1）/2条链路，当节点增加时，链路条数急剧上涨，且链路利用率低，经济性差，它可以不需要转发设备，但是若各节点有转发功能，则系统可靠性极高2、星形：除中心节点外，其他节点间的通信都需要中心节点转接。从可靠性上考虑，极度依赖中心节点，中心瘫痪，全局皆崩3、环形：每个节点都有转发功能，任意两点间有两条可达路线，这一点好于于星形，但多次转发可能带来较长延时，可靠性也可能降低4、总线形：利用一条总线连接所有节点，总线一个时间段只为两个节点通信服务，节点数目较多时会有较大延时，故它跟环形一样不适合节点过多的网络几项典型的通信网：1、电话网:以公共交换电话网（PSTNPublicSwitchTelephoneNetwork）为例本地网：一般各电话机通过用户线接到端局，一个端局内部一般是星形网，端局与汇接局通过（中继线）大容量电缆连接国内长途网：分为四级树状结构国际长途网：每个国家至少设定一个，连入国际网我国目前的公用电话网中电话机到端局的用户线是模拟线路，端局中继线是数字线路电话机信令分为两类：拨号脉冲和双音多频拨号脉冲：每个脉冲占100ms,脉冲个数表示数字（0用十个脉冲表示），平均拨号时长是0.55秒双音多频：16组频率组合使用，两位表示一个数字，共可表示16种，已经投入使用12种，除十个数字外还有*和#电话网性能指标有两个：话务量和呼损率话务量：单位时间内每次平均呼叫时间*呼叫次数成功话务量：单位时间内每次平均呼叫时间*呼叫成功的次数呼损率：1、成功话务量/话务量2、数据通信网：传输内容包括信件、语音、图片、视频、计算机软件、数据、控制指令等，事实上当前数据通信网已经部分取代电话网，但尚未完全取代依据覆盖范围，可划分为局域网和广域网通信协议：即数据通信网中的信令通信网中交换方式分为两大类：电路交换和信息交换电路交换要求通话时间内有一条通信电路始终处于连接状态，这会造成时间上的浪费，信息交换是按照存储-转发方式工作的，即发送端发来的信息先保存起来再按信令转发，直到达到目的地，这节省了时间片，但也随之带来了延时的问题，一个缓冲延时问题的方法是分组交换，即将整个报文分成若干组，分别编号传输，这样多路并行虽不能保证每组信息都准时到达，却能保证一定的实时性，另外，若分组数据都经过同一路由并用同一方式处理，可以认为这是一条虚拟信道。通信协议：拨号脉冲长度、双音多频的频率、拨号音和忙音等的频率和持续、间隔时间等一系列终端和交换设备必须遵守的规定。OSI七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层TCP/IP四层：网络接口层（HDLC）、网络层（选择适当路由和交换节点，使数据透明地传输到目的地IP,IPX）、传输层（TCP/UDP）、应用层（HTTP、SMTP、FTP）以太网：局域网的典型代表。星形结构，中心是集线器集线器分两大类：转发网络集线器（将某一台设备上发送的信号转发给所有其他连接的设备，目标设备选择接收，非目标设备选择放弃）和开关网络集线器（只向目标网络集线器发送信号）光纤电缆分两种：单模光缆（直径短，带宽高，但连接困难，一般用于远距离传输）和多模光缆（一般用于局域网）以太网中，数据是以帧为单位进行交换的，这里必须提到的一个技术是CSMA/CD带碰撞检测的载波侦听多址访问，即任何设备在发送数据前先确认网络是否忙碌，只有空闲状态下才发送信息，但是这里有个问题，如果两台机器同时判定空闲，同时发送信息就会引发冲突从而导致数据包毁坏，解决办法是确认空闲后等待一个随机决定的时间重新发送，这样随机数小的网络设备先发送，这个随机决定的时间叫做补偿时间。根据网络的拥挤程度，可以调整最大补偿时间值，当较为拥挤时扩大它的值，相反则可以减小之。以太网中的帧，即数据包包含两部分，报头和报文，类似于信封和信件内容，信封理所当然包含接收端和发送端的地址，以及监督码，报文则是有效信息内容。最开始是64位的前同步码（56位1010101010.。。）和帧首界定符（8位10101011）,随后接收端mac址（48位，全部为1时表示广播址，即对所有相连设备发送）和发送端mac址（48位），类型字段（16位，上层协议），数据（最大12000位）和错误检验