《网络通信原理》课件

网络通信原理欢迎大家来到《网络通信原理》的课堂！本课程旨在系统地介绍网络通信的基本概念、原理、技术及其发展趋势。通过本课程的学习，大家将能够深入了解网络通信的底层机制，掌握各种通信技术的核心原理，为未来的学习和工作打下坚实的基础。让我们一起探索网络通信的奥秘，共同迎接信息时代的挑战！课程导入课程目标了解网络通信的基本原理和概念；掌握各种通信技术的核心内容；培养分析和解决网络通信问题的能力；关注网络通信技术的发展趋势。课程内容通信基本概念、通信系统组成、通信信号特性、数字信号基础、信道特性与分类、编码与调制技术、多路复用技术、网络协议、网络安全、未来通信技术等。学习方法课堂讲解与讨论；实验操作与实践；案例分析与研究；课后复习与预习；小组合作与交流。通信的基本概念信源产生和发送信息的实体，如人、计算机等。信源可以是模拟的，也可以是数字的。信道信息传输的通道，如电缆、光纤、无线信道等。信道会受到噪声和干扰的影响。信宿接收信息的实体，如人、计算机等。信宿接收到的信息可能与信源发送的信息有所不同。信息通信过程中传输的内容，如语音、图像、数据等。信息是通信的根本目的。通信系统的组成发送端包括信源、编码器、调制器等，负责将信息转换成适合在信道中传输的信号。信道信息传输的物理通道，如电缆、光纤、无线信道等。信道会引入噪声和干扰。接收端包括解调器、解码器、信宿等，负责将接收到的信号还原成原始信息。通信信号的特性幅度信号的强度，表示信号的能量大小。幅度越大，信号的能量越高。频率信号变化的速率，表示信号的快慢。频率越高，信号变化越快。相位信号的起始角度，表示信号的初始状态。相位可以影响信号的叠加效果。带宽信号所占用的频率范围，表示信号的频谱宽度。带宽越大，信号可以传输的信息量越大。数字信号的基础1二进制数字信号采用二进制表示，只有0和1两种状态。二进制易于实现和处理，抗干扰能力强。2比特率单位时间内传输的比特数，表示数字信号的传输速率。比特率越高，传输速度越快。3采样将模拟信号转换成数字信号的过程，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理。4量化将采样值转换成离散的数字值的过程，量化位数越多，精度越高。噪声在通信中的影响噪声的来源热噪声、人为噪声、宇宙噪声等。噪声会干扰信号的传输，降低通信质量。信噪比信号功率与噪声功率的比值，表示信号的抗干扰能力。信噪比越高，抗干扰能力越强。降低噪声的方法采用低噪声放大器、滤波、编码等技术。降低噪声可以提高通信质量。信道的特性与分类1有线信道如电缆、光纤等，传输稳定，带宽大，但成本较高，移动性差。2无线信道如无线电波、微波等，移动性好，但易受干扰，带宽有限。3信道容量信道能够传输的最大信息速率，受带宽和信噪比的限制。香农公式描述了信道容量与带宽和信噪比的关系。编码与调制技术编码将信息转换成适合在信道中传输的信号形式，如信源编码、信道编码等。编码可以提高传输效率和可靠性。调制将基带信号转换成适合在信道中传输的射频信号，如调幅、调频、调相等。调制可以提高传输距离和抗干扰能力。解调将接收到的射频信号还原成基带信号。解调是调制的逆过程。解码将接收到的编码信号还原成原始信息。解码是编码的逆过程。数字调制方式ASK幅度键控，通过改变载波的幅度来表示数字信号。简单易实现，但抗干扰能力差。FSK频率键控，通过改变载波的频率来表示数字信号。抗干扰能力较强，但带宽利用率低。PSK相位键控，通过改变载波的相位来表示数字信号。抗干扰能力强，带宽利用率高。QAM正交幅度调制，同时改变载波的幅度和相位来表示数字信号。带宽利用率高，但实现复杂。信道编码技术纠错码具有纠正错误能力的编码，如汉明码、循环码、卷积码等。可以提高通信的可靠性。1检错码具有检测错误能力的编码，如奇偶校验码、CRC校验码等。可以发现传输过程中的错误。2交织编码将数据重新排列，使突发错误分散化。可以提高抗突发错误的能力。3多路复用技术频分复用将信道分成多个频率段，每个用户占用一个频率段。适用于用户数量较少，带宽需求不高的场景。时分复用将信道分成多个时间段，每个用户占用一个时间段。适用于用户数量较多，带宽需求不均衡的场景。码分复用每个用户分配一个唯一的码字，所有用户同时在同一频率上传输信号。抗干扰能力强，保密性好。信号传输介质双绞线由两根相互绞合的绝缘导线组成，用于传输模拟信号和数字信号。成本低廉，但传输距离和带宽有限。同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和护套组成，用于传输模拟信号和数字信号。传输距离和带宽比双绞线高，但成本较高。光纤由玻璃或塑料制成，利用光的全反射原理传输信号。传输距离远，带宽大，抗干扰能力强，但成本最高。光纤通信原理1全反射光从光密介质射向光疏介质时，入射角大于临界角，光线全部反射回光密介质。2光纤结构纤芯和包层，纤芯的折射率大于包层，使光在纤芯中传输。3单模光纤只能传输一种模式的光，损耗小，带宽大，适用于长距离传输。4多模光纤可以传输多种模式的光，损耗大，带宽小，适用于短距离传输。光纤通信系统光发射机将电信号转换成光信号，采用激光器或发光二极管作为光源。光纤传输光信号的介质，分为单模光纤和多模光纤。光接收机将光信号转换成电信号，采用光电二极管作为光探测器。无线通信基础电磁波无线通信利用电磁波作为传输媒介。电磁波具有频率、波长、传播速度等特性。频率范围无线电波的频率范围很广，不同的频率范围有不同的应用。如低频用于广播，高频用于移动通信。调制解调将基带信号调制到射频信号上进行传输，接收端再进行解调，还原成基带信号。信息的传播与接收发射天线将发射机的信号转换成电磁波辐射出去。天线的性能影响信号的覆盖范围和传输效率。传播路径电磁波在空间中传播，会受到反射、折射、散射等影响。传播路径影响信号的强度和质量。接收天线将接收到的电磁波转换成电信号。天线的性能影响接收信号的强度和灵敏度。无线电波的特性1穿透性2绕射性3反射性无线电波在传播过程中具有反射性、绕射性和穿透性。这些特性决定了无线电波的覆盖范围和传输质量。频率越低，绕射能力越强，穿透能力也越强，因此适用于远距离通信。频率越高，反射能力越强，绕射能力越弱，穿透能力也越弱，因此适用于视距通信。天线原理与分类方向性天线信号集中在特定方向辐射，覆盖范围窄，增益高，适用于点对点通信。1全向天线信号向四面八方辐射，覆盖范围广，增益低，适用于广播和移动通信。2智能天线能够自动调整方向和波束形状，提高信号质量和系统容量。3蜂窝移动通信网络1小区2基站3移动台蜂窝移动通信网络由多个小区组成，每个小区由一个基站覆盖，移动台在小区之间移动时，可以实现无缝切换。蜂窝网络可以有效地利用频谱资源，提高系统容量。小区越小，频率复用度越高，系统容量也越大。基站负责信号的收发和控制，移动台负责与基站进行通信。移动通信系统结构基站子系统负责无线信号的收发和处理，包括基站控制器和基站收发信机。网络子系统负责移动用户的管理和控制，包括移动交换中心、归属位置寄存器、访问位置寄存器等。移动台移动用户使用的终端设备，负责与基站进行通信。多址接入技术1FDMA频分多址，将信道分成多个频率段，每个用户占用一个频率段。适用于用户数量较少，带宽需求不高的场景。2TDMA时分多址，将信道分成多个时间段，每个用户占用一个时间段。适用于用户数量较多，带宽需求不均衡的场景。3CDMA码分多址，每个用户分配一个唯一的码字，所有用户同时在同一频率上传输信号。抗干扰能力强，保密性好。4OFDMA正交频分多址，将信道分成多个子载波，每个用户占用多个子载波。适用于高速数据传输。频谱管理与分配频谱资源无线电频谱是一种有限的资源，需要进行合理的管理和分配，才能保证各种无线业务的正常运行。频谱分配政府机构负责频谱的分配，根据不同的业务需求，将频谱分配给不同的用户。频谱分配需要考虑公平性、效率和兼容性。频谱共享为了提高频谱利用率，可以采用频谱共享技术，允许多个用户在同一频谱上进行通信。频谱共享需要解决干扰问题。信号传输与编码1基带信号2调制信号3编码信号信号在传输过程中需要进行编码和调制。基带信号是原始信号，调制信号是将基带信号调制到射频载波上的信号，编码信号是为了提高传输可靠性而进行的编码后的信号。编码方式包括信源编码和信道编码，调制方式包括模拟调制和数字调制。无线网络协议IEEE802.11Wi-Fi协议，用于无线局域网通信。支持多种速率和安全机制。蓝牙短距离无线通信协议，用于连接各种设备，如耳机、键盘、鼠标等。Zigbee低功耗无线通信协议，用于物联网应用，如智能家居、传感器网络等。TCP/IP通信协议族1应用层2传输层3网络层4数据链路层5物理层TCP/IP协议族是互联网的基础协议，采用分层结构，每一层负责不同的功能。物理层负责信号的传输，数据链路层负责数据的封装和差错检测，网络层负责数据的路由和转发，传输层负责数据的可靠传输，应用层负责提供各种网络服务。网络拓扑结构星型所有节点都连接到一个中心节点，中心节点负责数据的转发。易于管理和维护，但中心节点故障会影响整个网络。环型所有节点连接成一个环，数据沿着环传输。传输效率高，但维护复杂，节点故障会影响整个网络。总线型所有节点都连接到一条总线上，数据在总线上广播。结构简单，但冲突概率高，传输距离有限。网状型所有节点之间都有连接，数据可以沿着多条路径传输。可靠性高，但成本高，管理复杂。路由与转发技术静态路由由管理员手动配置的路由，简单易实现，但缺乏灵活性，不适用于大型网络。1动态路由路由器自动学习和更新路由，能够适应网络拓扑的变化，适用于大型网络。常用的动态路由协议有RIP、OSPF、BGP等。2路由算法用于计算最佳路由的算法，如距离矢量算法、链路状态算法等。路由算法的目标是找到最短路径或最佳路径。3交换与路由设备交换机用于局域网内的数据交换，根据MAC地址进行转发，能够提高网络传输效率。路由器用于连接不同的网络，根据IP地址进行路由，能够实现跨网络的数据传输。防火墙用于保护网络安全，控制进出网络的流量，防止恶意攻击。网络安全技术1防火墙控制进出网络的流量，防止恶意攻击。可以基于IP地址、端口号、协议等进行过滤。2入侵检测系统检测网络中的恶意行为，及时发现入侵事件。可以基于特征、异常、行为等进行检测。3VPN虚拟专用网络，建立安全的加密通道，保护数据传输的机密性和完整性。4安全审计记录网络中的安全事件，分析安全风险，提高安全意识。密码学基础知识对称加密加密和解密使用相同的密钥，速度快，但密钥管理困难。常用的对称加密算法有DES、AES等。1非对称加密加密和解密使用不同的密钥，密钥管理方便，但速度慢。常用的非对称加密算法有RSA、ECC等。2哈希算法将任意长度的数据转换成固定长度的哈希值，用于验证数据的完整性。常用的哈希算法有MD5、SHA等。3网络安全协议SSL/TLS安全套接层协议，用于保护网络通信的机密性和完整性。广泛应用于Web浏览器和服务器之间的通信。IPsec互联网协议安全，用于保护IP层通信的机密性和完整性。可以用于建立VPN。SSH安全外壳协议，用于安全地远程登录服务器。可以防止密码泄露和中间人攻击。网络安全攻防技术SQL注入通过在Web应用程序的输入框中注入恶意的SQL代码，获取数据库中的敏感信息。跨站脚本攻击通过在Web页面中注入恶意的JavaScript代码，窃取用户的Cookie和会话信息。拒绝服务攻击通过发送大量的请求，使服务器资源耗尽，无法正常提供服务。缓冲区溢出通过向缓冲区写入超出其容量的数据，覆盖内存中的其他数据，导致程序崩溃或执行恶意代码。物联网通信技术传感器网络由大量的传感器节点组成，用于采集环境数据，如温度、湿度、光照等。LoRaWAN低功耗广域网协议，用于连接远距离的物联网设备。NB-IoT窄带物联网协议，用于连接低功耗、低速率的物联网设备。5G技术标准1eMBB增强移动宽带，提供更高的传输速率，适用于高清视频、VR/AR等应用。2mMTC海量机器类通信，支持大量的物联网设备接入，适用于智能家居、智能城市等应用。3URLLC超可靠低时延通信，提供超高的可靠性和超低的延迟，适用于自动驾驶、工业自动化等应用。5G网络架构1核心网2传输网3接入网5G网络架构包括接入网、传输网和核心网。接入网负责无线信号的收发和处理，传输网负责数据的传输，核心网负责移动用户的管理和控制。5G采用了软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术，提高了网络的灵活性和可扩展性。5G关键技术大规模MIMO通过增加天线数量，提高频谱利用率和信号覆盖范围。1毫米波利用高频段频谱，提供更大的带宽，实现更高的传输速率。2网络切片将网络分成多个逻辑切片，每个切片满足不同的业务需求。35G应用场景智能家居通过5G网络连