水文通訊技術(shù)

1、現(xiàn)代水文信息技術(shù)現(xiàn)代水文信息技術(shù)河海大學(xué)河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院水文水資源學(xué)院第四章第四章.現(xiàn)代通訊系統(tǒng)現(xiàn)代通訊系統(tǒng)第四章：現(xiàn)代遙測通訊系統(tǒng)第四章：現(xiàn)代遙測通訊系統(tǒng) 第一節(jié)：無線信道劃分第一節(jié)：無線信道劃分 第二節(jié)：短波第二節(jié)：短波 第三節(jié)：超短波第三節(jié)：超短波 第四節(jié)：微波、擴頻微波第四節(jié)：微波、擴頻微波 第五節(jié)：衛(wèi)星第五節(jié)：衛(wèi)星 第六節(jié)：移動網(wǎng)絡(luò)第六節(jié)：移動網(wǎng)絡(luò) 第七節(jié)：以太網(wǎng)絡(luò)第七節(jié)：以太網(wǎng)絡(luò)第一節(jié)：無線信道劃分第一節(jié)：無線信道劃分一般頻率劃分：信道分類信道分類頻率范圍頻率范圍短 波3MHz30MHz超短波30MHz300MHz微 波300MHz3000GHz電視頻段劃分：頻段頻段 頻率

2、范圍頻率范圍VHF小于150MHzUHF小于900MHz微波頻段劃分：頻段頻段頻率范圍頻率范圍P225 MHz390MHzL390 MHz1.55GMHzS1.55GHz5.2GMHzC3.9 GHz6.2GMHzX5.2 GHz10.9GMHzK10.9GHz36GMHz 擴頻(數(shù)字)微波頻段劃分：頻段頻段頻率范圍頻率范圍900MHz902MHz928MHz2.4GHz 2.4GHz2.485GHz5.7GHz 5.7GHz5.785GHz 常用衛(wèi)星頻段：頻段頻段頻率范圍頻率范圍C上行 6 GHzC下行 4 GHzKu上行 14GHzKu下行 12GHz水文通訊專用超短波頻點：規(guī)定使用范圍

3、頻點（MHz）1.通 信：138.350，138.425，138.625,138.775， 423.550，423.625,423.725，423.800， 423.8752.偏遠(yuǎn)山區(qū)專用： 144.325，144.4753.分滯洪區(qū)警報： 73.250，73.550，73.625, 73.700 73.850，73.525，75.500，75.855水文專用超短波頻點分配（續(xù)）規(guī)定使用范圍 頻點（MHz） 4、水文遙測系統(tǒng)單工： 228.425，228.575228.600，228.8005、水文遙測系統(tǒng)雙工： 主臺發(fā)射從臺發(fā)射231.050224.050231.250224.250231.

4、725224.725231.800224.800第二節(jié)：短波第二節(jié)：短波一、通信原理二、信道特性三、優(yōu)化技術(shù)四、流星余跡通信一、短波通信原理一、短波通信原理 傳播機理 電磁波依靠電離層的介質(zhì)反射的天波傳播和沿地球表面的地波傳播。 傳播介質(zhì) 電離層：地球表面高度函數(shù)的等離子體。由太陽的紫外線和宇宙高能粒子輻射形成的電子、離子、分子、原子組成，構(gòu)成不同高度的四個導(dǎo)電層。電離層構(gòu)造電離層構(gòu)造D 層：高度6090Km，白天存在，只吸收電磁波。E 層：高度100120Km，白天存在，可反射電磁波。ES層：高度120Km，偶發(fā)層。電磁密度大，反射電磁 波極佳。F1層：高度170220Km，白天存在，可反射

5、電磁波。F2層：高度220450Km，晝夜都存在，可反射電磁 波，電磁密度變化較大。地球地球表面表面F2F1ESED電離層結(jié)構(gòu)圖電離層結(jié)構(gòu)圖通信方式通信方式 短波通信一般選用F2層作為反射層。理論上，F(xiàn)2反射的通信距離，1跳可達4000Km，多跳則更遠(yuǎn)。因為短波首先要穿透D層（吸收層），所以D層決定了短波的傳輸距離、也間接地決定了發(fā)射機的功率和天線增益。最高可用頻率（MUF） 如果短波的發(fā)射頻率過高，入射角過大，電磁波將穿透F2層，射入太空，沒有反射波。最佳工作頻率（OWF） 保證短波既不不穿透F2層，又要使衰落、多徑效應(yīng)和干擾最小。NKfF5 .80sec02MUFOWF85. 0MUF、O

6、WF的關(guān)系公式式中： N-電離層電子密度 0-短波斜射入射角 f fF2 F2 的最大值，即短波最高可用頻率（MUF）二、短波信道特性二、短波信道特性1.信道衰落：短波通信時，由于電磁波吸收造成的接收 機端信號振幅呈隨機變化的現(xiàn)象。2.快 衰 落：周期在毫秒到秒級的衰落。3.慢 衰 落：周期在分鐘到小時級的衰落。4.信道干擾：來自宇宙背景和人類通信的隨機同頻干擾。5.電離層漫反射： 多徑時延：電離層反射造成的信號延時疊加。 多普勒頻移：電離層變化造成的短波多普勒頻率移動效 應(yīng)，多跳時更嚴(yán)重。三、短波通訊優(yōu)化技術(shù)三、短波通訊優(yōu)化技術(shù)1、跳頻技術(shù) 根據(jù)季節(jié)、晝夜的電離層變化，以及信道距離等參數(shù)，確

7、定短波使用的頻率集，并且根據(jù)時間的不同，自動變化頻率，滿足最佳信道質(zhì)量的要求。2、分集技術(shù) 分散傳送，合并判決技術(shù)?？臻g分集、時間分集、頻率分集、極化分集。3、自適應(yīng)技術(shù) 利用多普勒效應(yīng)，自動變頻跟蹤電離層的變化調(diào)制解調(diào)和信道糾錯編碼利用調(diào)制解調(diào)和編碼技術(shù)減少誤碼率。四、流星余跡通信四、流星余跡通信 由于太空中每天有成千上萬個流星進入地球大氣層，流星在大氣層中燃燒分解，形成 電離氣柱，存在時間為0.1200秒，可以反射電磁波。 利用流星余跡反射機理的短波通信即流星余跡通信。第三節(jié)：超短波第三節(jié)：超短波一、通信原理一、通信原理二、信道特性二、信道特性三、三、超短波電路設(shè)計超短波電路設(shè)計一、超短波

8、通信原理一、超短波通信原理電磁波在對流層內(nèi)視距或繞射傳播。二、超短波信道特性二、超短波信道特性 優(yōu)點優(yōu)點1、信道穩(wěn)定、質(zhì)量好，一般不受氣候的影響。2、實時性好、功耗低、功率小，適于野外供電條件 惡劣情況使用。3、技術(shù)成熟、設(shè)備可靠、運行維護費用低。 缺點缺點1、如果信道不好，需要架設(shè)中繼站時，系統(tǒng)的可靠 性將下降，建設(shè)費用增加。2、中繼站要架在高山頂上，易受雷電襲擊，維護也 較困難。三、超短波電路設(shè)計三、超短波電路設(shè)計1、路徑損耗的定義2、路徑損耗Lb的理論估算方法3、路徑損耗Lb的測試方法4、距離和方位角計算5、誤碼率計算 通信電路信號流程通信電路信號流程饋線損耗Lt天線增益Gt天線增益Gr

9、發(fā)射機Pt接收機 Pr饋線損耗Lr傳播媒介路徑損耗Lb1.路徑損耗的定義路徑損耗的定義LrLtGrGtPtLbPr （dB）Lb和和Ls 系統(tǒng)的總功率損耗Ls：系統(tǒng)的路徑損耗Lb如果忽略饋線失配損耗，則路徑損耗Lb由下式計算：2.路徑損耗路徑損耗Lb的理論估算方法的理論估算方法ALLbfbfdLbflg20lg2045.32式中：Lbf自由空間損耗 A附加損耗 f為系統(tǒng)工作頻率（MHz） d為電路路徑長度（km）。信道的附加損耗信道的附加損耗A A主要由阻擋繞射形成，可以采用山峰繞射模式，根據(jù)惠根斯-費涅爾原理簡化計算如下： vvvV1lg204 . 6212212FHdddHvccniViV

10、A1式中，F(xiàn)1為第一費涅爾半徑、Hc為傳播余隙、d是總路徑長度、d1d2為分別為路徑障礙點到發(fā)射端和接收端的距離。3.路徑損耗路徑損耗Lb的測試方法的測試方法 使用功率計測得發(fā)射電臺的功率，接收端采用一只場強儀測量接收端的場強。4.距離和方位角計算距離和方位角計算ABBABAdcoscoscossinsincos12.111112.111sincos12.111cossinsincos3601ddIBBAB12.111sincos12.111cossinsincos1ddIAABA式中：A、A為A站經(jīng)緯度，B、B為B站經(jīng)緯度（度）（度）（km）平原地區(qū)傳輸距離估算平原地區(qū)傳輸距離估算2112.

11、4hhS 式中：h1、h2為兩站點處的天線加高，單位（m）。（km) 式中， 為解調(diào)器輸入信雜比。 若要滿足無線信道的傳輸誤碼率Pe104，由公式算出信雜比=12.3（dB）5.誤碼率計算誤碼率計算 系統(tǒng)誤碼率與通信機的解調(diào)方式和單位帶寬解調(diào)門限信雜比有關(guān)，對于FSK調(diào)制方式，其關(guān)系參見公 式：222exp21APe 222A230MHz超短波通訊機超短波通訊機第四節(jié)：微波第四節(jié)：微波 原理 電磁波在空間的視距直線傳播。 優(yōu)點l信道穩(wěn)定，不受氣候、季節(jié)和晝夜的衰落影響。l信道質(zhì)量好、帶寬大、容量大、速率高。l可以獲得高方向性，天線小安裝靈活性大。 缺點l要架設(shè)多級中繼，可靠性下降。l建設(shè)費用大

12、，維護困難。微波擴頻技術(shù)微波擴頻技術(shù) 窄帶技術(shù)：窄帶技術(shù)： 始終將信號調(diào)制在一個固定頻點上，采用嚴(yán)格規(guī)定的始終將信號調(diào)制在一個固定頻點上，采用嚴(yán)格規(guī)定的窄帶通信。窄帶通信。 擴頻技術(shù)：擴頻技術(shù)： 任意時刻，將信號調(diào)制在不同的多個頻點上，采用寬任意時刻，將信號調(diào)制在不同的多個頻點上，采用寬帶通信。帶通信。 理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式C: C: 通信容量（通信容量（bit/sbit/s）B B：信道帶寬（：信道帶寬（HzHz）S/NS/N：信噪比（：信噪比（dBdB）2log (1)SCBN擴頻技術(shù)原理擴頻技術(shù)原理1,( )0,mkkmDtkm當(dāng)當(dāng)n個信號源（個信號源（k=1，2，3，n）n

13、個載波：個載波： （k=1，2，3，n），相互線性無關(guān)），相互線性無關(guān)( )kt11( )( )nnkkkkkf tCt Ck 111 ( )( )( )( )( )nnmmkkmkkkknmmmmkkkDf tDCtC DtC DtC Dt( )ktDm解算因子（解算因子（偽隨機序列碼偽隨機序列碼）調(diào)制：調(diào)制：解調(diào)：解調(diào)：( )ktDm與與 的相關(guān)性的相關(guān)性CDMA擴頻技術(shù)實現(xiàn)擴頻技術(shù)實現(xiàn)調(diào)制調(diào)制擴頻擴頻數(shù)數(shù)字字信信號號解調(diào)解調(diào)偽隨機碼偽隨機碼注注入入數(shù)數(shù)字字信信號號解擴解擴偽隨機碼偽隨機碼注注入入BBBm用偽隨機序列碼用偽隨機序列碼 構(gòu)造地址，并擴頻調(diào)制構(gòu)造地址，并擴頻調(diào)制Dm( )kt擴

14、頻技術(shù)實現(xiàn)方式擴頻技術(shù)實現(xiàn)方式 直接序列擴頻直接序列擴頻 將數(shù)據(jù)按位變換為一串?dāng)?shù)據(jù)流。邏輯將數(shù)據(jù)按位變換為一串?dāng)?shù)據(jù)流。邏輯1 1和邏和邏輯輯0 0分別對應(yīng)兩組互不相干的偽隨機序列碼，分別對應(yīng)兩組互不相干的偽隨機序列碼，直直接去同步調(diào)制一組載波，進行擴展頻譜接去同步調(diào)制一組載波，進行擴展頻譜發(fā)送。發(fā)送。 跳頻擴頻跳頻擴頻 將數(shù)據(jù)按位變換為一串?dāng)?shù)據(jù)流。邏輯將數(shù)據(jù)按位變換為一串?dāng)?shù)據(jù)流。邏輯1 1和邏和邏輯輯0 0分別對應(yīng)兩組互不相干的偽隨機序列碼，控分別對應(yīng)兩組互不相干的偽隨機序列碼，控制一串按次序跳變的載頻頻率序列發(fā)送。制一串按次序跳變的載頻頻率序列發(fā)送。示例示例-1：直接序列擴頻：直接序列擴頻1

15、、編碼方式、編碼方式：（11位）位） a c e g I k (頻率頻率Hz) b d f h g “1”= 01001000111 “0”= 101101110002、待發(fā)送的數(shù)據(jù)流：待發(fā)送的數(shù)據(jù)流：01103、發(fā)送序列：發(fā)送序列：10110111000 01001000111 01001000111 10110111000互不相干的一對偽隨機碼示例示例-2：跳頻擴頻：跳頻擴頻1、編碼方式：、編碼方式： A B C D E (頻率頻率Hz) t1 t2 t3 t4 t5 (時間片時間片) “1”= A E C B D “0”= B C A D E2、待發(fā)送的數(shù)據(jù)流：待發(fā)送的數(shù)據(jù)流：01103

16、、發(fā)送序列：發(fā)送序列： B C A D E ， A E C B D ， A E C B D ， B C A D ECDMA（碼分多址）擴頻技術(shù)特點（碼分多址）擴頻技術(shù)特點 保密性：保密性：偽隨機序列長度和排列不相同，偽隨機序列長度和排列不相同，編碼組合的可能性巨大。編碼組合的可能性巨大。 隱蔽性：隱蔽性：可在可在-8dB-8dB信噪比情況下工作。信噪比情況下工作。 抗干擾：抗干擾：采用了偽隨機碼相關(guān)檢測技術(shù)采用了偽隨機碼相關(guān)檢測技術(shù)來分離信號。來分離信號。 容量大：容量大：偽隨機碼的互不相關(guān)性，支持偽隨機碼的互不相關(guān)性，支持多信號源并發(fā)工作。多信號源并發(fā)工作。 帶寬大：帶寬大：通信速率高。通信

17、速率高。)(SNCBm直接序列擴頻與跳頻擴頻的比較直接序列擴頻與跳頻擴頻的比較 直接序列優(yōu)點：直接序列優(yōu)點：1 1、碼速快。、碼速快。2 2、技術(shù)實現(xiàn)簡單，成本低。、技術(shù)實現(xiàn)簡單，成本低。 跳頻優(yōu)點：跳頻優(yōu)點：1 1、抗干擾能力強。、抗干擾能力強。2 2、碼元的能量大，易于遠(yuǎn)傳。、碼元的能量大，易于遠(yuǎn)傳。原理: 利用衛(wèi)星作為中繼站的微波傳輸技術(shù)作用：通訊，定位特點：傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣， 組網(wǎng)靈活，不受地形條件影響，信道質(zhì)量好，通信容量大，可靠性高。第五節(jié)：衛(wèi)星第五節(jié)：衛(wèi)星衛(wèi)星的分類衛(wèi)星的分類2.軌道高度：軌道高度：GEO（同步），35768km MEO（中軌），500015000km LEO

18、（低軌），5005000km 1.軌道形狀：軌道形狀：赤軌衛(wèi)星 極軌衛(wèi)星 斜軌衛(wèi)星3.地球同步：地球同步：同步衛(wèi)星 非同步衛(wèi)星 衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)天線天線 遙測、指令和信標(biāo)天線遙測、指令和信標(biāo)天線 通信天線通信天線 全球波束全球波束 點波束點波束 區(qū)域波束區(qū)域波束 通信通信 透明轉(zhuǎn)發(fā)器透明轉(zhuǎn)發(fā)器 處理轉(zhuǎn)發(fā)器處理轉(zhuǎn)發(fā)器電源電源跟蹤遙測指令跟蹤遙測指令 控制控制 溫度等溫度等姿態(tài)姿態(tài)“北斗北斗”定位、通訊衛(wèi)星定位、通訊衛(wèi)星 中國全天候、全天時區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，具有通訊信道，2002年投入試運行。 構(gòu)成：GEO工作衛(wèi)星、備用衛(wèi)星，地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構(gòu)成。 功能：1.地面中心:系統(tǒng)的監(jiān)控

19、和管理、數(shù)據(jù)存儲、交換、傳輸和處理，并提供高度坐標(biāo)，解算用戶位置。2.用戶終端:接收地面中心站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號，并向兩顆衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號?！氨倍繁倍贰倍ㄎ粠缀卧矶ㄎ粠缀卧?O赤道衛(wèi)星ACB地球靜止軌道地球測點XZY地面中心站r1r2R1R22221111()()()rxxyyzz2222222()()()rxxyyzz“北斗北斗”定位流程定位流程“北斗北斗”通訊原理通訊原理擴頻：CDMA的直接序列擴頻方式。 頻率：C頻段：衛(wèi)星與衛(wèi)星地面控制中心之間。L頻段：終端與北斗衛(wèi)星之間上行。S頻段：北斗衛(wèi)星與終端之間下行。“北斗北斗”衛(wèi)星民用服務(wù)系統(tǒng)衛(wèi)星民用服務(wù)系統(tǒng)基本業(yè)務(wù)： (1)定位信息 (

20、2)短信息通信 (3)授時和GPS差分信息 (4)群、組呼功能 (5)遇險報警“北斗北斗”衛(wèi)星地面站衛(wèi)星地面站“北斗北斗”衛(wèi)星遙測信道的特點衛(wèi)星遙測信道的特點 通信暢通率高，可在1秒內(nèi)完成端對端之間的報文傳輸 短消息報文120個漢字或等長度的BCD碼 支持每秒200個用戶并發(fā)處理 終端加電啟動及失鎖再捕獲時間不到3秒，1秒級內(nèi)快速定位 衛(wèi)星終端設(shè)計緊湊、簡單，無需對星，定位和通訊功能合而為一。 衛(wèi)星終端設(shè)備最大功耗不到80W，功耗小。 采用L/S/C波段，抗雨衰能力強 CDMA擴頻技術(shù)，抗干擾性、保密性強“亞洲二號亞洲二號” 通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星定點于東經(jīng)105度的 GEO通信衛(wèi)星。 轉(zhuǎn) 發(fā) 器：

21、9個Ku波段、24個C波段，調(diào) 制：CDMA水文業(yè)務(wù)：Ku波段，以色列G-liant衛(wèi)星終端國際海事衛(wèi)星國際海事衛(wèi)星主要業(yè)務(wù)：用于航海船舶的告警呼救通信收 發(fā) 器：L波段的1.5GHz/1.6GHz，傳輸速率600bps調(diào) 制：TDMA終端設(shè)備體積小、功耗低，信道無干擾，可靠性高。比較項目北斗海事衛(wèi)星亞洲2號衛(wèi)星類型及產(chǎn)權(quán)GEO通信、定位衛(wèi)星，中國所有。GEO通信衛(wèi)星，87個國家參加的國際海事衛(wèi)星組織所有。GEO通信衛(wèi)星，中國香港亞洲衛(wèi)星公司所有。政策性中國自主。美國GPS授時。中國自主。功能定位、精密授時、實時導(dǎo)航GPS差分信息、短消息通訊。數(shù)據(jù)報告，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸、信息服務(wù)。工作頻段S

22、/L頻段微波，受雨衰影響小。C/L頻段微波，受雨衰影響小。Ku頻段微波，受雨衰影響大。北斗、海事衛(wèi)星、亞洲北斗、海事衛(wèi)星、亞洲2號對比號對比比較項目北斗海事衛(wèi)星亞洲2號抗干擾采用CDMA碼分多址，抗干擾能力強。采用TDMA時分多址，存在數(shù)據(jù)包的碰撞。采用CDMA碼分多址，抗干擾能力強。覆蓋范圍 亞洲地區(qū)全球全球大陸并發(fā)處理 出站：200次/秒入站：300次/秒出站：1次呼叫/秒，入站：1次呼叫/秒，1幀8.64秒，分為28個時隙采用CDMA分組輪詢方式。報文處理 120個漢字或等長（1680bit）BCD碼數(shù)據(jù)報告32字節(jié)數(shù)據(jù)包長可根據(jù)用戶信息長度優(yōu)化選擇。北斗、海事衛(wèi)星、亞洲北斗、海事衛(wèi)星、

23、亞洲2號對比號對比比較項目北斗海事衛(wèi)星亞洲2號傳輸速率 出站：31.25Kbps入站：5.625Kbps600bps64K-2Mbps9.6-153.6Kbps點隊點傳輸時延安用戶等級劃分為：1、2、5秒大于30秒由通訊方式?jīng)Q定終端功耗 發(fā)射：80W，待機：0.36W發(fā)射80W發(fā)射120W，待機30mW北斗、海事衛(wèi)星、亞洲北斗、海事衛(wèi)星、亞洲2號對比號對比第六節(jié)：移動網(wǎng)絡(luò)第六節(jié)：移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分代技術(shù)分代接入技術(shù)接入技術(shù) 典型網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)名稱典型網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)名稱 1G FDMA AMPS，TACS2G TDMAFDMA GSM、GSM-SMS2.5G TDMACDMA GPRS、 EDGE、CDMA

24、1x3G TDMA，CDMA TD-SCDMA、 WCDMA、CDMA2000 各代移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的技術(shù)資料各代移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的技術(shù)資料技術(shù)分代技術(shù)分代 運營商運營商網(wǎng)絡(luò)名稱網(wǎng)絡(luò)名稱平均速率平均速率 2.5G中國移動中國移動GPRS2040kbps 中國移動中國移動EDGE80160kbps 中國聯(lián)通中國聯(lián)通CDMA1x70110Kbps 3G 中國移動中國移動 TD-SCDMA384kbps 中國聯(lián)通中國聯(lián)通 WCDMA800Kbps 中國電信中國電信 CDMA2000650kbps GSMGSM話務(wù)系統(tǒng)話務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(BTS)基站收發(fā)信機 (BSC)基站控制器(MSC)移動交換中心 (VLR

25、)訪問位置寄存器(HLR)歸屬位置寄存器 (EIR)設(shè)備識別寄存器(AUC)鑒權(quán)中心 (SMS-SC)短消息業(yè)務(wù)中心(GMSC)移動交換中心網(wǎng)關(guān) (CBC)計費中心(PSTN)公眾電話交換網(wǎng) (ISDN)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(PSPDN)分組交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng) (PLMN)公眾陸地移動網(wǎng)電路交換分組交換GPRSGPRS數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（BTSBTS）基站收發(fā)信機）基站收發(fā)信機 （BSCBSC）基站控制器）基站控制器（MSCMSC）移動交換中心）移動交換中心 （PCUPCU）分組控制單元）分組控制單元（SGSNSGSN）GPRSGPRS服務(wù)支持接點服務(wù)支持接點 （GGSNGGSN）GPRSGPRS

26、網(wǎng)關(guān)支持接點網(wǎng)關(guān)支持接點（PDNPDN）公用數(shù)據(jù)網(wǎng)公用數(shù)據(jù)網(wǎng) GPRSGPRS遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第七節(jié)：以太網(wǎng)絡(luò)第七節(jié)：以太網(wǎng)絡(luò)u定義： 以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種技術(shù)規(guī)范。 u拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 總線型： 星型：以太網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較以太網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較u總線型：總線型： 采用同軸纜作為傳輸介質(zhì)，連接簡單，不需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。所需的電纜較少、價格便宜、管理成本高，不易隔離故障點、采用共享的訪問機制，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。u星型：星型： 采用集線器、交換機為核心節(jié)點設(shè)備，通過雙絞線、光纖將局域網(wǎng)中的各臺主機連接到核心節(jié)點上。 管理方便、容易擴展、需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、更多的網(wǎng)線、對核心設(shè)的可靠性要

27、求高，但網(wǎng)線和連接器比總線型的要便宜。 星型拓?fù)淇梢酝ㄟ^級聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴展到很大的規(guī)模。數(shù)據(jù)幀與工作體制數(shù)據(jù)幀與工作體制u令牌式：u廣播式： 令牌環(huán)： 廣播：網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層 數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)C CC CP P網(wǎng) 絡(luò) 層應(yīng)用進程AO OS SI I環(huán)環(huán)境境應(yīng)用進程B主主機機A A主主機機B BA AC CC CP PB B以太網(wǎng)的以太網(wǎng)的OSI七層虛擬框架七層虛擬框架應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸

28、層網(wǎng) 絡(luò) 層 數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)鏈路層物 理 層應(yīng)用進程A應(yīng)用進程B比特序列幀分組報文數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)主主機機A A主主機機B B以太網(wǎng)虛擬通訊流程以太網(wǎng)虛擬通訊流程以太網(wǎng)設(shè)備識別：以太網(wǎng)設(shè)備識別：IPIP地址與地址與MACMAC地址地址邏輯：IPv4地址（32位）物理：MAC地址（48位）崗位：班長個人：李白u物理地址和個人具有唯一性；u崗位和邏輯地址相對固定，個人和物理地址可更替。以太網(wǎng)的廣播式工作原理以太網(wǎng)的廣播式工作原理u設(shè)備連接：以太網(wǎng)上的所有設(shè)備都連在以太總線上，它們共享同一個通信通道。u傳輸速度：實際上是光速

29、的80%左右u工作方式：以太網(wǎng)采用的是廣播方式的通信，即所有的設(shè)備都接收每一個信息包。u工作流程：（1）幀聽，直到信道空閑為止。 （2）空閑就傳輸數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臅r候繼續(xù)幀聽。（3）如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，繼續(xù)偵聽。（4）若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，計算機會返回到幀聽信道狀態(tài)。 每臺計算機一次只允許發(fā)送一個包，計算機在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須等待9.6微秒（10Mbps為例）。沖突與沖突域沖突與沖突域 u沖突：沖突： 在以太網(wǎng)中，當(dāng)兩個數(shù)據(jù)幀同時被發(fā)到物理傳輸介質(zhì)上，并完全或部分重疊時，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突。當(dāng)沖突發(fā)生時，物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)都不再有效。u 沖突域：沖突域： 在同一個沖突域中的每一個節(jié)點

30、都能收到所有被發(fā)送的幀。 沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素，由于沖突的存在使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負(fù)載超過40時，效率將明顯下降。因此，當(dāng)以太網(wǎng)的規(guī)模增大時，就必須采取措施來控制沖突的擴散。 通常的辦法是使用網(wǎng)橋和交換機將網(wǎng)絡(luò)分段，將一個大的沖突域劃分為若干小沖突域。 沖突域劃分沖突域劃分廣播、廣播域與廣播風(fēng)暴廣播、廣播域與廣播風(fēng)暴 u廣播：廣播： 以目的地址都為“1”的廣播幀構(gòu)成的數(shù)據(jù)流，廣播幀告之網(wǎng)絡(luò)中所有的計算機接收并處理此幀。u廣播域：廣播域： 網(wǎng)絡(luò)中能接收任何一臺設(shè)備發(fā)出的廣播幀的所有設(shè)備的集合。u廣播風(fēng)暴廣播風(fēng)暴 廣播導(dǎo)致在廣播域內(nèi)大量復(fù)制和傳播數(shù)據(jù)幀，造成網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。u廣

31、播風(fēng)暴成因廣播風(fēng)暴成因共享式大網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)卡損壞、網(wǎng)絡(luò)環(huán)路、網(wǎng)絡(luò)病毒等。集線器共享式以太網(wǎng)集線器共享式以太網(wǎng) u工作原理： 集線器（HUB）將一個端口接收的信號重復(fù)分發(fā)給其他端口來擴展物理介質(zhì)，所有連接到集線器的設(shè)備共享同一介質(zhì)，集線器和它所連接的設(shè)備組成了一個單一的沖突域和廣播域。u技術(shù)特點： 1. 集線器同時只能傳輸一個數(shù)據(jù)幀，集線器所有端口共享同一帶寬。 2. 集線器是有源設(shè)備，對接收的信號有放大作用。集線器也被稱為“多端口中繼器”。 3. 由于共享沖突域，隨著節(jié)點的增加，大量的沖突將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。 4. 由于共享廣播域，遇到廣播風(fēng)暴將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。交換機交換式以太網(wǎng)交換機交

32、換式以太網(wǎng)u 交換機工作原理交換機工作原理1. 交換機根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。2. 交換機將數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定由哪個端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。 3. 如數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。 4. 廣播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。 交換式優(yōu)于共享式交換式優(yōu)于共享式u減少沖突： 交換機將沖突隔絕在每一個端口（每個端口都是一個沖突域），避免了沖突的擴散。 u提升帶寬： 接入交換機的每個節(jié)點都可以使用全部的帶寬，而不是各個節(jié)點共享帶寬。u減少誤碼： 交換機分直通式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)式，存儲轉(zhuǎn)發(fā)式可以

33、糾檢數(shù)據(jù)包傳輸中的錯碼。交換機的主要功能和特性交換機的主要功能和特性u主要功能主要功能1. 學(xué)習(xí)：學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。 2. 轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)/過濾：過濾：當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口（如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。 3. 消除回路：消除回路：當(dāng)交換機包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。u技術(shù)特性：技術(shù)特性： 1. 隔離沖突域：隔離沖突域：每一個端口所連接的網(wǎng)段都是一個獨立的沖突域。

34、2. 不隔離廣播幀：不隔離廣播幀：所連接的設(shè)備在同一個廣播域（三層交換機配置的VLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境除外）。 網(wǎng)橋網(wǎng)橋u網(wǎng)橋作用：網(wǎng)橋作用： 可將網(wǎng)段連接在一起，分割網(wǎng)段，減少沖突。u工作原理：工作原理： 同交換機沒有本質(zhì)的區(qū)別。在某些物理介質(zhì)（網(wǎng)線、光纖等）情況下，可以認(rèn)為網(wǎng)橋就是交換機。 u技術(shù)特點：技術(shù)特點： 網(wǎng)橋可連接不同介質(zhì)的網(wǎng)段（WiFi等）。路由器路由器u路由器的作用：路由器的作用： 它決定IP包通過的最佳路徑,將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)前向轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)。u路由器的功能：路由器的功能： 1. 隔絕廣播包，劃分廣播域 。2. 通過路由選擇算法決定最優(yōu)路徑。 3. 轉(zhuǎn)發(fā)基于三層目的地址的數(shù)據(jù)包

35、。 VLAN虛擬局域網(wǎng)虛擬局域網(wǎng) 雖然位于OSI模型的第三層的路由器提供了廣播域分段，但位于OSI模型的第二層的交換機也提供了一種稱為VLAN的廣播域分段方法。VLAN為工作站提供獨立的廣播域，這些工作站是依據(jù)其功能、項目組或應(yīng)用而不顧其用戶的物理位置而邏輯分段的。VLAN的特點的特點 uVLAN的優(yōu)點：的優(yōu)點：1. 安全性：一個VLAN里的廣播幀不會擴散到其他VLAN中。 2. 網(wǎng)絡(luò)分段：將物理網(wǎng)段按需要劃分成幾個邏輯網(wǎng)段，每一個邏輯網(wǎng)段像一個獨立物理網(wǎng)段。3. 靈活性。可將交換端口和連接的用戶按照VLAN邏輯分成團體。VLAN能跨越多個交換機。uVLAN間通訊間通訊 位于二層的交換機劃分的

36、VLAN無法進行VLAN間通信，只有位于三層路由器或高級的三層交換機可以轉(zhuǎn)發(fā)不同VLAN間的數(shù)據(jù)包，稱之為VLAN間路由。IEEEIEEE國際國際電氣與電子工程師協(xié)會電氣與電子工程師協(xié)會IEEE802委員會現(xiàn)有以下委員會現(xiàn)有以下13個分委員會，分管：個分委員會，分管：802.1 概述、體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互連，以及網(wǎng)絡(luò)管理和性能測量概述、體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互連，以及網(wǎng)絡(luò)管理和性能測量802.2 邏輯鏈路控制邏輯鏈路控制802.3 CSMA/CD802.4 令牌總線網(wǎng)令牌總線網(wǎng)802.5 令牌環(huán)形網(wǎng)令牌環(huán)形網(wǎng)802.6 城域網(wǎng)城域網(wǎng)MAN802.7 寬帶技術(shù)寬帶技術(shù)802.8 光纖技術(shù)光纖技術(shù)802.9

37、綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)802.10可互操作的局域網(wǎng)的安全可互操作的局域網(wǎng)的安全802.11無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)802.12高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)802.14 Cable - TV電纜電視電纜電視 物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層傳輸層會話層會話層表示層表示層應(yīng)用層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層MAC地址地址互聯(lián)層互聯(lián)層IP地址地址傳輸層傳輸層應(yīng)用層應(yīng)用層萬維網(wǎng)萬維網(wǎng) InterNetMACMAC地址的組成地址的組成u MAC地址是以太網(wǎng)卡上帶的地址，也即物理地址， MAC地址在世界是惟一的。MAC地址的長度為48位（6個字節(jié)），表示為冒號隔開的16進制數(shù)： 08:00:20:

38、0A:8C:6DIEEEIEEE 分配分配給給網(wǎng)絡(luò)硬件制造網(wǎng)絡(luò)硬件制造商的編號商的編號。制造商網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的系列號制造商網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的系列號IPv4IPv4地址的組成地址的組成點分點分十進制十進制最大值最大值二進制二進制舉例：舉例：網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址主機地址主機地址 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 11111111111111114 4個字節(jié)，個字節(jié)，3232位，位，4 4億多個地址億多個地址 172.172.16.16. 122.122. 202202 255 255255255255 255255 255255 101011001

39、0101100 0001000000010000 01111010011110101100110011001100 1010110010101100IPv4IPv4地址的特別規(guī)定地址的特別規(guī)定1.主機地址全為0（192.168.0.0 0），解釋為“本主機”主機地址全為1（192.168.0.255255），解釋為192.168.0這個網(wǎng)絡(luò)上的所有主機。整個IP地址全為0（0.0.0.00.0.0.0）是RIP協(xié)議用來賦給默認(rèn)路由的地址。整個IP地址全為1（1.1.1.11.1.1.1）表示在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上廣播給全部主機，也稱“全1廣播”。IPv4IPv4地址的分類地址的分類A類地址類地址:范圍范圍1126B類地址類地址:范圍范圍128191C類地址類地址:范圍范圍1922230NNNNNNN主機主機主機主機主機主機126個A類網(wǎng)絡(luò)，每個A類網(wǎng)絡(luò)最多可以連接167萬臺主機10NNNNNN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)主機主機主機主機