网络工程师培训教程课件：通信基础

主题四

通信基础4.1主要知识点1.基础概念2.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.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4.2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，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Ｔ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，它只能传输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、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。问题：如何在串行传输时，使接收设备知道何时开始传输？设备1设备201101100设备1设备20110110001101100发送01101100从右到左a)并行传输b)串行传输异步与同步异步传输：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。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１设备１设备１设备１设备１设备１一对一通信与一对多通信4.3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。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。尼奎斯特定理：例如:一个无噪声的3KHz信道不能以高于6000b/s的速率传输二进制（二电平）信号。数据通信理论基础香农公式:任何带宽为HHz，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。4.4传输介质和通信电缆4.4.1

双绞线概述4.4.2

制作和测试UTP(实验)4.4.3

同轴电缆4.4.4

光纤4.4.5

无线传输4.4.1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

双绞线的两种类型非屏蔽双绞线(UnshieldedTwisted-Pair,UTP)屏蔽双绞线(ShieldedTwisted-Pair,STP)比UTP多一层屏蔽层

双绞线的结构(1)双绞线的结构(2)双绞线的颜色序号12345678颜色橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕

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20Mbit/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2.4Gbit/s1000Mbit/s以上的的局域网数据传输。4.4.2制作和测试双绞线(UTP)准备工具和材料连接UTP和RJ45接头准备工具和材料UTP压线钳RJ45接头护套简易测线仪连接UTP和RJ45接头(1)

连接UTP和RJ45接头(2)

连接UTP和RJ45接头(3)4.4.3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50Ω50Ω应用的局域网类型10Base2(细缆以太网)10Base5(粗缆以太网)4.4.4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(μm,1μm=1×10-6m)。最细的光纤其内芯直径通常只有5~10μm，粗一些的光纤其内芯直径为50~100μm。局域网中最常用的光纤是62.5μm/125μm的光纤，其中62.5μm是内芯直径，而125μm是反射层的直径。光纤的类型多模光纤(MultimodeFiber,MMF)光信号不止一种波长，常用多模光纤中主要有Ala类50/125μm和Alb类62.5/125μm两种类型。单模光纤(SinglemodeFiber,SMF)光信息只有一种波长，典型的单模光纤尺寸为8μm/125μm光纤的类型光纤通信系统4.4.5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/s~16Mbit/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

(Frequencyhoppingspreadspectrum,FHSS)

(2)直序扩频

(Directsequencespreadspectrum,DSSS)4.5编码和传输编码类型：数字-数字数字-模拟模拟-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2.

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极化编码

※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、差分曼彻斯特编码）双极性编码

※信号交替反转码

※双极性8零替换编码

※高密度双极性3零编码非归零编码-NRZ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。（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。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101010101ASK移辐键控法，有载波为1，无载波为0模拟数据编码201010101FSK移频键控法，高频为1，低频为0模拟数据编码301010101PSK移相键控法，正相为1，反相为0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。

A/D7654321123456789001010011100010010010010010模拟-模拟编码调幅调频调相4.6

传输技术2.6.1

多路复用

2.6.2

差错控制

2.6.3

同步控制

2.6.4

压缩和解压缩方法4.6.1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S1S2S3S4Bt4t3t2t1t4t3t2t1S1S2S3S4At4t3t2t1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TelephoneTelephoneTelephoneTelephone108KhzChannelBankModulatorLineSignal104Khz100Khz64Khz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CRC4.6.2差错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。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4.6.3同步控制字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法4.6.4压缩和解压缩方法无损压缩行程压缩

MH（ModifiedHuffman）修正的霍夫曼编码MR（ModifiedRead），即改进的像素相对地址指定码。MH和MR的区别在于后者利用了前一行的参考信息，在垂直方向上进行了压缩，因此也叫“二维压缩技术”。

MMR（ModifiedModifiedRead），也就是改进的二维压缩编码。MMR在MR系统的基础上不仅提高了压缩效率，而且提高了压缩文件的容错能力有损压缩

JPEGMPEG

4.7传输控制竞争系统轮询/选择系统基本规程、多链路规程、传输控制字符、线路控制HDLC、SLIP、PPP4.7传输控制HDLC－－高级数据链路控制协议是面向位的协议；是使用位填充来保证数据的透明性。01111110地址01111110控制数据校验和8888>=016位面向位的协议的帧格式4.7传输控制SLIP－－串行线路IP它的目的是使用调制解调器通过电话线，把ＳＵＮ工作站连接到因特网上去。不能进行错误检测和纠错工作；

SLIP只支持IP；

地址不能自动的设定；

没有提供身份验证；

不是一个已通过的因特网标准。4.7传输控制PPP

－－点到点协议明确的划分出一帧的尾部和下一帧的头部的成帧方式；当线路不再需要时，挑出这些线路，测试它们，商议选择，并仔细地再次释放链路控制协议；用独立于所使用地网络层协议地方法来商议使用网络层地哪些选项。4.7传输控制PPP

－－点到点协议标志01111110地址11111111标志01111110控制00000011协议校验和11111或22或4字节数用于无序号模式操作下的PPP完整帧格式有效载荷4.8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信元交换ATMSwitchATMSwitchATMSwitchATMSwitchATMSwitchATMSwitchATMSwitchATMSwitchATMSwitch4.9公用网络和租用网络按网络的使用范围分类：公用网络和租用网络。公用网络：国家电信网的主体。租用网络：由其他部门兴建，并供自己本部门应用的网络。类型特点公用网络租用网络费用低昂贵数据安全性低高传输速率慢快线路稳定性低高4.10网络通信设备

线路终端设备、多路设备、交换设备、转接设备线路连接设备（调制解调器、DSU数据服务单元、NCU网络控制单元、TA终端适配器、CCU通信控制单元、PBX电话交换机）4.11网络连接设备中继器集线器网桥（生成树网桥、源路由网桥）交换机网卡路由器网关

中继器中继器(Repeater)最简单的互连设备。它工作在OSI模型的物理层，用于扩展LAN网段的长度，延伸信号传输的范围，例如可加大线缆的传输距离。中继器可以连接不同类型的线缆。中继器

中继器的工作就是重发bit，将所收到的bit信号进行再生和还原并传给每个与之相连的网段。中断器是一个没有鉴别能力的设备，它会精确的再生所收到的bit信号包括错误信息，而且再生后传给每个与之相连网段而不管目的计算机是否在该网段上。但是，中继器的速度很快且时延很小。“5-4-3”规则通常在一个网络中，最多可以分为5个网段其中用4个中继器连接只允许在其中3个网段包含计算机或设备，其他2个网段只能用于延长传输距离。集线器的功能

集线器(Hub)其实是一个具有多个端口的中继器。它可以集中网络连接，可以重发bit信号。最常用的集线器是连接以太网中计算机的集线器，线缆从单个节点的NIC连接到中心集线器。一般8~24个端口。其他类型的集线器包括用于令牌环网络的多站接入单元(MAU/MSAU)等。中继器和集线器

MACaMACbMACcPORT1PORT2PORTNbbbACB集线器基本工作流程集线器的应用与计算机直接连接与集线器形成堆叠与集线器形成级联集线器的安装购置集线器选择安装位置识别接口和指示灯连接电源连接集线器和计算机集线器互相连接网桥的功能

网桥(Bridge)工作在OSI模型的数据链路层，可以用于连接具有不同物理层的网络，如连接使用同轴电缆和UTP的网络。网桥是一种数据帧存储转发设备，它通过缓存、过滤、学习、转发和扩散等功能来完成操作。

冲突域在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧

广播域网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。

广播：指数据帧发给所有的节点网桥的作用分割网段减少冲突网桥网桥的工作原理(1)

缓存：网桥首先会对收到的数据帧进行缓存并处理

过滤：判断入帧的目标节点是否位于发送这个帧的网段中，如果是，网桥就不把帧转发到网桥的其他端口

转发：如果帧的目标节点位于另一个网络，网桥就将帧发往正确的网段网桥的工作原理(2)

学习：每当帧经过网桥时，网桥首先在网桥表中查找帧的源MAC地址，如果该地址不在网桥表中，则将有该MAC地址及其所对应的网桥端口信息加入数据帧要去往的目标MAC地址使用的网桥端口MACA端口3MACB端口2MACC端口1网桥的工作原理(2)

扩散：如果在表中找不到目标地址，则按扩散的办法将该数据发送给与该网桥连接的除发送该数据的网段外的所有网段。

又称为扩散泛洪（flooding）。交换机的功能交换机(Switch)其实是更先进的网桥，它除了具备网桥的所有功能外，还通过在节点或虚电路间创建临时逻辑连接，使得整个网络的带宽得到最大化的利用。通过交换机连接的网段内的每个节点，都可以使用网络上的全部带宽来进行通信，而不是各个节点共享带宽。交换机交换机与集线器的区别交换机的并行程度更高，不同于集线器的共享带宽。8口集线器(100Mbps)与8口交换机(400Mbps)的带宽比较。交换机的缓存能力更强交换机的智能化程度更高交换机具有支持虚拟局域网(VLAN)的能力不可管理交换机不具备可管理性，没有CPU或集中管理芯片，只是并行程度、吞吐能力等优于集线器。可管理式交换除了具有不可管理交换机的全部功能，还带有CPU或集中管理芯片，可以支持VLAN及SNMP管理，又称为智能型交换机。交换机的类型MACaMACbMACdPORT1PORT2PORTNMACcPORT1PORT2PORT2MACaMACbMACcPORTNMACdMACTABLEbbbADCB交换机的基本工作流程PORT1PORT2PORTN网段1网段3网段2ABCDcPORT1PORT2PORT2MACaMACbMACcPORTNMACdMACTABLE网段的形成PORT1PORT2PORTN网段1网段3网段2ABCDPORT1PORT2PORT2MACaMACbMACcPORTNMACdMACTABLExx=MAC“FFFFFFFFFFFF未知或广播xx透明网桥相当于交换环境下的广播网桥同交换机的比较一般用做网段互连可连PC或网段网桥交换机基于软件实现转发基于硬件实现转发单个生成树多个生成树通常不超过16个端口可多至数百个端口路由器的功能