通信網絡基礎知識梳理

通信網絡基礎知識梳理一、相關概念無源器件：指工作時不需要外部能量源的器件，電容電阻等有源器件：指工作時需要外部能量源的器件，該器件有個輸出，并且是輸入信號的一個函數,LED、比較器等高頻通信的好處：1、無線通信中，為獲得較高輻射效率，天線尺寸必須與波長差不多，因此只有高頻（短波長）信號能滿足要求。2、可把多個基帶信號搬移到不同的頻段的載波信號上，實現信道復用，提高信道利用率。3、頻率越高，衰落越大，因此對基站的發射機有更高要求，同時其頻段內用戶數量少，抗干擾能力自然更好。模擬通信系統兩種基本變換：1、發送端消息轉換為電信號，接收端作逆變換2、基帶信號變換為適合在信道中傳輸的信號，即調制和解調基帶信號：頻譜從零頻附近開始的原始信號，如語音信號頻譜300?3400Hz,圖像信號頻譜0~6MHz帶通信號：基帶信號經調制后都具有帶通特性，故稱帶通信號帶寬與寬帶：帶寬定義一：兩頻率間的差值，即某個特定頻率成分占據的頻率范圍。帶寬定義二：單位時間內，通信網絡中某一點到另一點所能傳輸的數據量。數字通信（二進制）帶寬的計算公式是時鐘頻率*總線位數/8比特率和波特率：波特率:每秒傳輸碼元個數（批注：每個碼元可以取2、4、8...個可能值）比特率:每秒傳輸的二進制位數.單位bps兩者關系：（比特率）S=（波特率）BLog2N（碼元可能值的個數）討論帶寬時,一般采用波特率,討論線路實際傳輸數據的能力時,一般采用比特率.寬帶是相對窄帶而言的,一般帶寬較大,能滿足一般需求的通信網絡稱為寬帶.codedivisionmultipleaccess即cdma它不同于時分復用技術和頻分復用技術，而是利用不同的如波形類特征來區分子信道，引用以前看到的網友的一個比方，一群人在一個大房子里，如果他們用一樣的語言（波形）一起說話，我們就很難區分哪些信息是要接受的，但是如果他們使用不同的語言說話，我們就能夠過濾掉那些不感興趣的信息，這便是cdma的基礎，因此不需要分頻段或是時隙就可以同時傳輸多路信號，提升了信道利用率，進一步提升了傳輸速率。數字通信相對于模擬通信有很多好處，主要是抗干擾能力強、傳輸差錯可控、安全性高等，但數字通信有一個缺點就是一般需要較大的傳輸帶寬，以電話為例，一路模擬通話只占用4kHz帶寬，但一路接近同樣話音質量的數字電話要占據20?60kHz帶寬。第三代：多媒體通信，相較于第二代主要是帶寬的改進使得其具備傳輸圖像、多媒體等數據的能力。同樣使用了tdma和cdma技術，通信能力進一步提升。現在我們正在歷經第四代通信技術的改革，其實縱觀通信發展史，都是不斷提升的用戶需求拉動的變革，那話怎么說來著，沒什么是革命性的，全是進化。通信、計算機或者說整個IT行，就是這樣。我們網頁開的慢啊，網銀安全問題啊，游戲延時啊等等都是拉動技術變革的動力。三、通信業劃時代事件1、莫爾斯電報：1844年5月24日，莫爾斯向巴爾的摩發出了人類歷史上的第一份電報：“上帝創造了何等奇跡！”，此舉開創了人類用電信號傳輸信息的歷史。（說到這里，還有一個故事必須提到，1912年“泰坦尼克”號撞到冰山后，發出電報“SOS,速來，我們撞上了冰山。”幾英里之外的“加利福尼亞”號客輪本應能夠救起數百條生命，但是這條船上的報務員不值班，因此沒有收到這條信息。從此以后，所有的輪船都開始了全天候的無線電信號監聽。）2、電話：1892年紐約芝加哥的電話線路開通。電話發明人貝爾第一個試音：“喂，芝加哥”，這一歷史性聲音被記錄下來。PCM:pulsecodemodulation,脈沖編碼調制。對音頻、圖像、視頻信號的離散化、數字化的一種編碼方式，由取樣、量化和編碼三個基本環節構成并行通信和串行通信：從原理上講，并行通信擁有更多數據線，理應擁有更高的信息傳輸能力。但現實并非如此，因為并行傳輸的前提是各路信號同一時序傳播且同一時序接收，時鐘頻率過高時各路信號難以合拍，布線稍有差異就會引起錯誤。另外，并行線路占用了更多空間，消耗更多成本。因此近幾年串行通信技術回歸主流，典型代表無疑就是USB同步通信和異步通信：同步通信要求發收雙方具有同頻的時鐘信號，只要傳送報文前添加同步字符即可;異步通信無需同步時鐘，兩字符間的時間間隔是不固定的，所以比較自由，但要求接收方時刻做好接收準備，異步通信的優點正在于此，缺點是每個字符幀都包含起始位和停止位，有效信息位占比降低。信道中的干擾分為有源干擾和無源干擾：有源干擾即來自外界的因素產生的干擾，一般指噪聲;無源干擾即與外界因素無關的干擾，即信道本身傳輸特性不良。無線通信中，根據通信距離、頻率和位置的不同，電磁波分為地波、天波和視線傳播三種：地波：頻率較低，2MHz以下，沿地球表面傳播，有一定繞射能力，傳播范圍數百千米到數千千米。天波：（2?30MHz）依賴電離層（距離地面60~400千米）反射傳播，通過這種方式覆蓋到地面上可能不是連續區域。經多次反射后傳播距離可達10000千米以上。視線：30MHz以上，即像光波那樣沿直線傳播，為了擴大傳輸距離，最簡單的辦法就是提升天線高度，有公式天線高度h=pow（d,2）/50,d為傳輸距離，由于視距傳輸距離有限通常可以采用無線電中繼的方法，即多次轉發實現遠程通信。理論上有一個較好的方法全球覆蓋，即用三個相對靜止衛星做中繼站，這樣增加了一次轉發可達距離，但是提升了對發射功率的要求，也增加了傳輸延時，另外發射衛星也是個巨大的工程。今年來一個類似的想法是平流層（17~22km）通信，即把基站用沖氮飛艇懸在半空，這樣只要250個飛艇就能覆蓋全球90以上人口和地區，性價比極高。有線信道主要分為明線（裸線，傳輸損耗低，但易受環境影響），雙絞線（對稱電纜）和同軸電纜。信道特性的描述可以用幅頻特性或者相頻特性，無失真的傳輸要求幅頻特性曲線是一條直線，即振幅與頻率無關，相頻曲線為一條過原點的直線，即傳輸時延與頻率無關。幅頻特性不理想則稱有頻率失真、相位特性不理想則稱為有相位失真，兩種失真都是線性的，故可以通過線性補償解決。熱噪聲，一種自然噪聲，導線、電阻、半導體內部電子熱運動產生的噪聲，不可避免，也稱白噪聲，由于其噪聲是自由電子運動產生，具有正態分布特性，故又稱高斯白噪聲。vsb殘留便帶調制是介于dsb雙邊帶調制和ssb單邊帶調制之間的一種調制方式，它既克服了dsb信號占用頻帶寬的缺點，又解決了ssb信號實現中的困難。DSB一般用于點對點通信，其他應用較少。SSB一般用于頻分多路復用系統，帶寬利用和功率利用都較好。VSB抗噪聲性能與頻帶利用率與SSB相當，一般用于電視廣播系統。AM是最簡單的調制方式，但抗干擾能力差，功率利用率低，一般用于中短波調幅廣播。FM抗干擾能力強，在長距離高質量通信中常用，如衛星通信、調頻廣播電臺等。數字調制與模擬調制基本原理相同，但數字信號具有取值離散的特點，一般有兩種數字調制技術方法，一是用模擬調制的方法調制數字信號，將數字信號視為待調制信號的一個特例；而是使用鍵控法(2ASK,2FSK,2PSK)。模擬信號的數字化：抽樣、量化、編碼。其中量化分為均勻量化和非均勻量化，對小信號而言，信噪比較小，均勻量化并不科學，例如話音信號，因此有了A律和u律等非均勻量化法。我國采用的是A律13折線。美國日本使用的是u律。以A律13折線為例簡要介紹編碼方法，13折線法8位，cl位表示正負，c2?c4位表示8個非均勻劃分的段落，c5?c8表示16個均勻量化的電平。按照加性干擾引起的錯嗎分布規律不同，信道分為三類：隨機信道、突發信道、混合信道隨機信道：錯碼隨機出現，相互統計獨立突發信道：錯碼集中出現，在一些短暫的時間片上集中，之后又存在較長的無錯碼段混合信道：上面二者共存的信道四種主要差錯控制技術：1、檢錯重發：在發送時附加監督碼元，接收端利用這些碼元檢測到有錯時，通知發送端重發，它的局限是不能判斷錯碼位置以及如何糾正，如奇偶校驗。2、前向糾錯(FEC：forwarderrorcorrection)：能糾正錯碼,優點是不需重發，沒有因反復重發引發的時延。3、檢錯刪除：即以碼元為單位，發現錯誤碼元即刪除，這種方式使用于少數特定系統，那些即使刪除部分碼元不影響接受的系統。4、反饋校驗：無需差錯碼元或監督碼元，接收端接到碼元后回發給發送端，在發送端進行比較，如一致則認為無錯，否則重發。這種技術優點是簡單易理解，缺點是需要雙向信道且傳輸時間翻倍，且有可能發送過來時無錯回發時出錯也被判錯，降低了傳輸效率。在評價信道的檢錯能力時有一個矛盾點，即檢錯能力與冗余度(監督碼元數目與總碼元數目之比)的矛盾，一般來講，檢錯能力越強，需要越多的監督碼元，冗余度也越高，作選擇時應根據具體情況取舍。四個同步：1、載波同步：即在接收端產生一個和接收信號的載波同頻同相的本地震蕩，供解調器使用。2、碼元同步：即在接收端產生一個與接收碼元嚴格同步的時鐘脈沖序列，確定接收碼元的起止時刻，以便判決。3、群同步：即幀同步，即在發送端插入輔助同步信息，確定幀接收的起止時刻。4、網同步：在多個通信對象組成的數字通信網中，為了使各站點保持同步，還需解決網同步的問題。例如時分復用通信網中，為了正確地將來自不同地點的兩路時分多路信號復接時，就需使各路信號同步后開始合并。有線通信和無線通信：1、理論上講，無線通信速率要優于有線通信，無線通信介質是空氣或真空，傳輸速率接近光速，有線通信是不可能達到的，一來介質的限定，而來不可能實現直線傳播。假若實現月亮和地球的點對點通信，無線通信必須建立中繼站，否則月球背對我們的時候是無法通信的2、有線通信開通必須架設電纜，面臨挖溝和架線的問題，時間成本和材料、人力成本較高，另外，除電信部門外，其他部門沒有在城區內挖溝鋪設電纜的權力，相比之下，搭建無線通信系統成本更低另外時間成本優勢在應急、抗災時的無可替代性將被凸顯3、有線通信系統的通信質量會隨著線路擴展急劇下滑，超過5公里后誤碼率提升，傳輸速率下降，而對于無線擴頻通信（擴展帶寬）方式，50公里內幾乎沒有影響4、有線通信鋪線受地理限制，不能任意鋪設，無線通信覆蓋范圍廣，幾乎不受地理條件限制5、在后續改善通信方面，無線通信僅需架設擴頻設備，而有線通信光纜深埋地底下，靈活性極低6、當出現故障時，有線網絡需沿線檢查，難以及時找出故障點，而無線擴頻通信很容易試出故障點，維護擴頻電臺即可，可快速恢復通信。7、安全方面，無線電路可能被搭線監聽，而無線擴頻通信本身就起源于軍事上的防監聽，廣袤的頻帶大大提升了監聽的難度。綜上，無線通信在時間、財力、人力上的低成本，安全性、靈活性、可維護性等方面具有很大優勢。有線通信目前的優勢在于媒介的限定提升了穩定性、減少了對人體輻射。無線通信信號較差原因在于母機與子機之間可能存在障礙物，而高頻無線信號的衍射能力是比較弱的;此外也有可能是（來自家電）同頻段信號的干擾IPV4:32位，約40億個地址，這個分配是非常不均的，北美獨占30億個，中國才3千萬，僅相當于一個麻省理工學院，擦IPV6:128位，多的不好形容了，一般用8*4個十六進制數表示0000：3333：6666：9999：CCCC：FFFF：0000：0000通信網：指多點之間傳遞信息的通信系統。（批注：僅兩點間傳遞信息的通信系統稱為專線）通信網的基本組成：終端設備、通信鏈路、交換設備，有些還有轉發設備。通信鏈路：占用給定空域和頻域的通信渠道。其占用的空域可以是大氣層、水下或者人造電磁傳到煤質，前者為無線通信，后者為有線通信。時分復用：TDMtime-divisionmultiplexing一條鏈路在不同時間段內可以被不同用戶使用頻分復用：FDMfrequency-divisionmultiplexing給定頻帶劃分給不同用戶使用，要求總頻帶大于各個子頻帶之和，同時為保證安全性，各個子頻帶之間會有一段隔離帶信令：網絡中傳輸的信號一般包括兩部分，一是使用信息（語音、數據包等），二是控制信息（還有計費、監控信息等），即信令。終端設備：發送和接收信號的設備。包括電話機、傳真機、電臺、計算機交換設備：依照信令將通信鏈路傳來的信號轉接到另一條鏈路路由器：網絡通信的交通警察，負責信息的分流，與交換機的區別在于，交換機處于osi模型的第二層數據鏈路層，而路由器處于第三層網絡層。兩者工作時使用不同的控制信息。綜合業務數字網：IntegratedServicesDigitalNetwork,ISDN20世紀80年代誕生，主要是將電話、電報等低速率業務，綜合在一個通信網中傳輸。隨著視頻、多媒體信號傳輸需求的逼近，傳統的低速率（2Mb/s以下）傳輸已經不能符合需求了，隨之誕生了寬帶綜合業務數字網BroadbandISDN，故將前者又稱為窄帶綜合業務數字網NarrowbandISDN隨后，隨著通信技術向個人通信方向發展，蜂窩網應運而生通信網拓撲結構：1、網形：要求任意兩節點間都有一條鏈路直接相連，故假設N個節點的話，會有N（N-1）/2條鏈路，當節點增加時，鏈路條數急劇上漲，且鏈路利用率低，經濟性差，它可以不需要轉發設備，但是若各節點有轉發功能，則系統可靠性極高2、星形：除中心節點外，其他節點間的通信都需要中心節點轉接。從可靠性上考慮，極度依賴中心節點，中心癱瘓，全局皆崩3、環形：每個節點都有轉發功能，任意兩點間有兩條可達路線，這一點好于于星形，但多次轉發可能帶來較長延時，可靠性也可能降低4、總線形：利用一條總線連接所有節點，總線一個時間段只為兩個節點通信服務，節點數目較多時會有較大延時，故它跟環形一樣不適合節點過多的網絡幾項典型的通信網：1、電話網:以公共交換電話網（PSTNPublicSwitchTelephoneNetwork）為例本地網：一般各電話機通過用戶線接到端局，一個端局內部一般是星形網，端局與匯接局通過（中繼線）大容量電纜連接國內長途網：分為四級樹狀結構國際長途網：每個國家至少設定一個，連入國際網我國目前的公用電話網中電話機到端局的用戶線是模擬線路，端局中繼線是數字線路電話機信令分為兩類：撥號脈沖和雙音多頻撥號脈沖：每個脈沖占100ms,脈沖個數表示數字（0用十個脈沖表示），平均撥號時長是0.55秒雙音多頻：16組頻率組合使用，兩位表示一個數字，共可表示16種，已經投入使用12種，除十個數字外還有*和#電話網性能指標有兩個：話務量和呼損率話務量：單位時間內每次平均呼叫時間*呼叫次數成功話務量：單位時間內每次平均呼叫時間*呼叫成功的次數呼損率：1、成功話務量/話務量2、數據通信網：傳輸內容包括信件、語音、圖片、視頻、計算機軟件、數據、控制指令等，事實上當前數據通信網已經部分取代電話網，但尚未完全取代依據覆蓋范圍，可劃分為局域網和廣域網通信協議：即數據通信網中的信令通信網中交換方式分為兩大類：電路交換和信息交換電路交換要求通話時間內有一條通信電路始終處于連接狀態，這會造成時間上的浪費，信息交換是按照存儲-轉發方式工作的，即發送端發來的信息先保存起來再按信令轉發，直到達到目的地，這節省了時間片，但也隨之帶來了延時的問題，一個緩沖延時問題的方法是分組交換，即將整個報文分成若干組，分別編號傳輸，這樣多路并行雖不能保證每組信息都準時到達，卻能保證一定的實時性，另外，若分組數據都經過同一路由并用同一方式處理，可以認為這是一條虛擬信道。通信協議：撥號脈沖長度、雙音多頻的頻率、撥號音和忙音等的頻率和持續、間隔時間等一系列終端和交換設備必須遵守的規定。OSI七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層TCP/IP四層：網絡接口層（HDLC）、網絡層（選擇適當路由和交換節點，使數據透明地傳輸到目的地IP,IPX）、傳輸層（TCP/UDP）、應用層（HTTP、SMTP、FTP）以太網：局域網的典型代表。星形結構，中心是集線器集線器分兩大類：轉發網絡集線器（將某一臺設備上發送的信號轉發給所有其他連接的設備，目標設備選擇接收，非目標設備選擇放棄）和開關網絡集線器（只向目標網絡集線器發送信號）光纖電纜分兩種：單模光纜（直徑短，帶寬高，但連接困難，一般用于遠距離傳輸）和多模光纜（一般用于局域網）以太網中，數據是以幀為單位進行交換的，這里必須提到的一個技術是CSMA/CD帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問，即任何設備在發送數據前先確認網絡是否忙碌，只有空閑狀態下才發送信息，但是這里有個問題，如果兩臺機器同時判定空閑，同時發送信息就會引發沖突從而導致數據包毀壞，解決辦法是確認空閑后等待一個隨機決定的時間重新發送，這樣隨機數小的網絡設備先發送，這個隨機決定的時間叫做補償時間。根據網絡的擁擠程度，可以調整最大補償時間值，當較為擁擠時擴大它的值，相反則可以減小之。以太網中的幀，即數據包包含兩部分，報頭和報文，類似于信封和信件內容，信封理所當然包含接收端和發送端的地址，以及監督碼，報文則是有效信息內容。最開始是64位的前同步碼（56位1010101010.。。）和幀首界定符（8位10101011）,隨后接收端mac址（48位，全部為1時表示廣播址，即對所有相連設備發送）和發送端mac址（48位），類型字段（16位，上層協議），數據（最大12000位）和錯誤檢驗