通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識梳理

通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識梳理一、相關(guān)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(shù),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(xiàn)信道復(fù)用，提高信道利用率。3、頻率越高，衰落越大，因此對基站的發(fā)射機有更高要求，同時其頻段內(nèi)用戶數(shù)量少，抗干擾能力自然更好。模擬通信系統(tǒng)兩種基本變換：1、發(fā)送端消息轉(zhuǎn)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?shù)男盘枺凑{(diào)制和解調(diào)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(jīng)調(diào)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(jù)的頻率范圍。帶寬定義二：單位時間內(nèi)，通信網(wǎng)絡(luò)中某一點到另一點所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。數(shù)字通信（二進制）帶寬的計算公式是時鐘頻率*總線位數(shù)/8比特率和波特率：波特率:每秒傳輸碼元個數(shù)（批注：每個碼元可以取2、4、8...個可能值）比特率:每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù).單位bps兩者關(guān)系：（比特率）S=（波特率）BLog2N（碼元可能值的個數(shù)）討論帶寬時,一般采用波特率,討論線路實際傳輸數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)稱為寬帶.codedivisionmultipleaccess即cdma它不同于時分復(fù)用技術(shù)和頻分復(fù)用技術(shù)，而是利用不同的如波形類特征來區(qū)分子信道，引用以前看到的網(wǎng)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(qū)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(chǔ)，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(shù)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(shù)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(zhì)量的數(shù)字電話要占據(jù)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(shù)據(jù)的能力。同樣使用了tdma和cdma技術(shù)，通信能力進一步提升?，F(xiàn)在我們正在歷經(jīng)第四代通信技術(shù)的改革，其實縱觀通信發(fā)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(wǎng)頁開的慢啊，網(wǎng)銀安全問題啊，游戲延時啊等等都是拉動技術(shù)變革的動力。三、通信業(yè)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(fā)出了人類歷史上的第一份電報：“上帝創(chuàng)造了何等奇跡！”，此舉開創(chuàng)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(fā)出電報“SOS,速來，我們撞上了冰山?！睅子⒗镏獾摹凹永Ｄ醽啞碧柨洼啽緫?yīng)能夠救起數(shù)百條生命，但是這條船上的報務(wù)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(jiān)聽。）2、電話：1892年紐約芝加哥的電話線路開通。電話發(fā)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(diào)制。對音頻、圖像、視頻信號的離散化、數(shù)字化的一種編碼方式，由取樣、量化和編碼三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成并行通信和串行通信：從原理上講，并行通信擁有更多數(shù)據(jù)線，理應(yīng)擁有更高的信息傳輸能力。但現(xiàn)實并非如此，因為并行傳輸?shù)那疤崾歉髀沸盘柾粫r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(shù)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(fā)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(zhǔn)備，異步通信的優(yōu)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(chǎn)生的干擾，一般指噪聲;無源干擾即與外界因素?zé)o關(guān)的干擾，即信道本身傳輸特性不良。無線通信中，根據(jù)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?zhèn)鞑?，有一定繞射能力，傳播范圍數(shù)百千米到數(shù)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(xù)區(qū)域。經(jīng)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(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)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(wèi)星做中繼站，這樣增加了一次轉(zhuǎn)發(fā)可達距離，但是提升了對發(fā)射功率的要求，也增加了傳輸延時，另外發(fā)射衛(wèi)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(qū)，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(huán)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(guān)，相頻曲線為一條過原點的直線，即傳輸時延與頻率無關(guān)。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(dǎo)線、電阻、半導(dǎo)體內(nèi)部電子熱運動產(chǎn)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(chǎn)生，具有正態(tài)分布特性，故又稱高斯白噪聲。vsb殘留便帶調(diào)制是介于dsb雙邊帶調(diào)制和ssb單邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)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(xiàn)中的困難。DSB一般用于點對點通信，其他應(yīng)用較少。SSB一般用于頻分多路復(fù)用系統(tǒng)，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(dāng)，一般用于電視廣播系統(tǒng)。AM是最簡單的調(diào)制方式，但抗干擾能力差，功率利用率低，一般用于中短波調(diào)幅廣播。FM抗干擾能力強，在長距離高質(zhì)量通信中常用，如衛(wèi)星通信、調(diào)頻廣播電臺等。數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制基本原理相同，但數(shù)字信號具有取值離散的特點，一般有兩種數(shù)字調(diào)制技術(shù)方法，一是用模擬調(diào)制的方法調(diào)制數(shù)字信號，將數(shù)字信號視為待調(diào)制信號的一個特例；而是使用鍵控法(2ASK,2FSK,2PSK)。模擬信號的數(shù)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(xué)，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(guī)律不同，信道分為三類：隨機信道、突發(fā)信道、混合信道隨機信道：錯碼隨機出現(xiàn)，相互統(tǒng)計獨立突發(fā)信道：錯碼集中出現(xiàn)，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(shù)：1、檢錯重發(fā)：在發(fā)送時附加監(jiān)督碼元，接收端利用這些碼元檢測到有錯時，通知發(fā)送端重發(fā)，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(yōu)點是不需重發(fā)，沒有因反復(fù)重發(fā)引發(fā)的時延。3、檢錯刪除：即以碼元為單位，發(fā)現(xiàn)錯誤碼元即刪除，這種方式使用于少數(shù)特定系統(tǒng)，那些即使刪除部分碼元不影響接受的系統(tǒng)。4、反饋校驗：無需差錯碼元或監(jiān)督碼元，接收端接到碼元后回發(fā)給發(fā)送端，在發(fā)送端進行比較，如一致則認為無錯，否則重發(fā)。這種技術(shù)優(yōu)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(fā)送過來時無錯回發(fā)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(jiān)督碼元數(shù)目與總碼元數(shù)目之比)的矛盾，一般來講，檢錯能力越強，需要越多的監(jiān)督碼元，冗余度也越高，作選擇時應(yīng)根據(jù)具體情況取舍。四個同步：1、載波同步：即在接收端產(chǎn)生一個和接收信號的載波同頻同相的本地震蕩，供解調(diào)器使用。2、碼元同步：即在接收端產(chǎn)生一個與接收碼元嚴(yán)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(fā)送端插入輔助同步信息，確定幀接收的起止時刻。4、網(wǎng)同步：在多個通信對象組成的數(shù)字通信網(wǎng)中，為了使各站點保持同步，還需解決網(wǎng)同步的問題。例如時分復(fù)用通信網(wǎng)中，為了正確地將來自不同地點的兩路時分多路信號復(fù)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(yōu)于有線通信，無線通信介質(zhì)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(zhì)的限定，而來不可能實現(xiàn)直線傳播。假若實現(xiàn)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(shè)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(qū)內(nèi)挖溝鋪設(shè)電纜的權(quán)力，相比之下，搭建無線通信系統(tǒng)成本更低另外時間成本優(yōu)勢在應(yīng)急、抗災(zāi)時的無可替代性將被凸顯3、有線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)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(nèi)幾乎沒有影響4、有線通信鋪線受地理限制，不能任意鋪設(shè)，無線通信覆蓋范圍廣，幾乎不受地理條件限制5、在后續(xù)改善通信方面，無線通信僅需架設(shè)擴頻設(shè)備，而有線通信光纜深埋地底下，靈活性極低6、當(dāng)出現(xiàn)故障時，有線網(wǎng)絡(luò)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(fù)通信。7、安全方面，無線電路可能被搭線監(jiān)聽，而無線擴頻通信本身就起源于軍事上的防監(jiān)聽，廣袤的頻帶大大提升了監(jiān)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(yōu)勢。有線通信目前的優(yōu)勢在于媒介的限定提升了穩(wěn)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(dāng)于一個麻省理工學(xué)院，擦IPV6:128位，多的不好形容了，一般用8*4個十六進制數(shù)表示0000：3333：6666：9999：CCCC：FFFF：0000：0000通信網(wǎng)：指多點之間傳遞信息的通信系統(tǒng)。（批注：僅兩點間傳遞信息的通信系統(tǒng)稱為專線）通信網(wǎng)的基本組成：終端設(shè)備、通信鏈路、交換設(shè)備，有些還有轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)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(zhì)，前者為無線通信，后者為有線通信。時分復(fù)用：TDMtime-divisionmultiplexing一條鏈路在不同時間段內(nèi)可以被不同用戶使用頻分復(fù)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(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男盘栆话惆▋刹糠?，一是使用信息（語音、數(shù)據(jù)包等），二是控制信息（還有計費、監(jiān)控信息等），即信令。終端設(shè)備：發(fā)送和接收信號的設(shè)備。包括電話機、傳真機、電臺、計算機交換設(shè)備：依照信令將通信鏈路傳來的信號轉(zhuǎn)接到另一條鏈路路由器：網(wǎng)絡(luò)通信的交通警察，負責(zé)信息的分流，與交換機的區(qū)別在于，交換機處于osi模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層，而路由器處于第三層網(wǎng)絡(luò)層。兩者工作時使用不同的控制信息。綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)：IntegratedServicesDigitalNetwork,ISDN20世紀(jì)80年代誕生，主要是將電話、電報等低速率業(yè)務(wù)，綜合在一個通信網(wǎng)中傳輸。隨著視頻、多媒體信號傳輸需求的逼近，傳統(tǒng)的低速率（2Mb/s以下）傳輸已經(jīng)不能符合需求了，隨之誕生了寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)BroadbandISDN，故將前者又稱為窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)NarrowbandISDN隨后，隨著通信技術(shù)向個人通信方向發(fā)展，蜂窩網(wǎng)應(yīng)運而生通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)：1、網(wǎng)形：要求任意兩節(jié)點間都有一條鏈路直接相連，故假設(shè)N個節(jié)點的話，會有N（N-1）/2條鏈路，當(dāng)節(jié)點增加時，鏈路條數(shù)急劇上漲，且鏈路利用率低，經(jīng)濟性差，它可以不需要轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，但是若各節(jié)點有轉(zhuǎn)發(fā)功能，則系統(tǒng)可靠性極高2、星形：除中心節(jié)點外，其他節(jié)點間的通信都需要中心節(jié)點轉(zhuǎn)接。從可靠性上考慮，極度依賴中心節(jié)點，中心癱瘓，全局皆崩3、環(huán)形：每個節(jié)點都有轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)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(jié)點，總線一個時間段只為兩個節(jié)點通信服務(wù)，節(jié)點數(shù)目較多時會有較大延時，故它跟環(huán)形一樣不適合節(jié)點過多的網(wǎng)絡(luò)幾項典型的通信網(wǎng)：1、電話網(wǎng):以公共交換電話網(wǎng)（PSTNPublicSwitchTelephoneNetwork）為例本地網(wǎng)：一般各電話機通過用戶線接到端局，一個端局內(nèi)部一般是星形網(wǎng)，端局與匯接局通過（中繼線）大容量電纜連接國內(nèi)長途網(wǎng)：分為四級樹狀結(jié)構(gòu)國際長途網(wǎng)：每個國家至少設(shè)定一個，連入國際網(wǎng)我國目前的公用電話網(wǎng)中電話機到端局的用戶線是模擬線路，端局中繼線是數(shù)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(shù)表示數(shù)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(shù)字，共可表示16種，已經(jīng)投入使用12種，除十個數(shù)字外還有*和#電話網(wǎng)性能指標(biāo)有兩個：話務(wù)量和呼損率話務(wù)量：單位時間內(nèi)每次平均呼叫時間*呼叫次數(shù)成功話務(wù)量：單位時間內(nèi)每次平均呼叫時間*呼叫成功的次數(shù)呼損率：1、成功話務(wù)量/話務(wù)量2、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)：傳輸內(nèi)容包括信件、語音、圖片、視頻、計算機軟件、數(shù)據(jù)、控制指令等，事實上當(dāng)前數(shù)據(jù)通信網(wǎng)已經(jīng)部分取代電話網(wǎng)，但尚未完全取代依據(jù)覆蓋范圍，可劃分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)通信協(xié)議：即數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的信令通信網(wǎng)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(nèi)有一條通信電路始終處于連接狀態(tài)，這會造成時間上的浪費，信息交換是按照存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式工作的，即發(fā)送端發(fā)來的信息先保存起來再按信令轉(zhuǎn)發(fā)，直到達到目的地，這節(jié)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(zhǔn)時到達，卻能保證一定的實時性，另外，若分組數(shù)據(jù)都經(jīng)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(xié)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(xù)、間隔時間等一系列終端和交換設(shè)備必須遵守的規(guī)定。OSI七層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層TCP/IP四層：網(wǎng)絡(luò)接口層（HDLC）、網(wǎng)絡(luò)層（選擇適當(dāng)路由和交換節(jié)點，使數(shù)據(jù)透明地傳輸?shù)侥康牡豂P,IPX）、傳輸層（TCP/UDP）、應(yīng)用層（HTTP、SMTP、FTP）以太網(wǎng)：局域網(wǎng)的典型代表。星形結(jié)構(gòu)，中心是集線器集線器分兩大類：轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)集線器（將某一臺設(shè)備上發(fā)送的信號轉(zhuǎn)發(fā)給所有其他連接的設(shè)備，目標(biāo)設(shè)備選擇接收，非目標(biāo)設(shè)備選擇放棄）和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)集線器（只向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)集線器發(fā)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(wǎng)）以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)是以幀為單位進行交換的，這里必須提到的一個技術(shù)是CSMA/CD帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問，即任何設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前先確認網(wǎng)絡(luò)是否忙碌，只有空閑狀態(tài)下才發(fā)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(fā)送信息就會引發(fā)沖突從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(fā)送，這樣隨機數(shù)小的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備先發(fā)送，這個隨機決定的時間叫做補償時間。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁擠程度，可以調(diào)整最大補償時間值，當(dāng)較為擁擠時擴大它的值，相反則可以減小之。以太網(wǎng)中的幀，即數(shù)據(jù)包包含兩部分，報頭和報文，類似于信封和信件內(nèi)容，信封理所當(dāng)然包含接收端和發(fā)送端的地址，以及監(jiān)督碼，報文則是有效信息內(nèi)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(shè)備發(fā)送）和發(fā)送端mac址（48位），類型字段（16位，上層協(xié)議），數(shù)據(jù)（最大12000位）和錯誤檢驗