软考中级-网络工程师第二章笔记（数据通信基础）

软考中级-网络工程师第二章笔记（数据通信基础）

前言

本系列笔记根据官方教材《网络工程师教程第五版》的章节内容和节奏进行梳理，由于教材内容偏多，这里会精挑细选总结关键的考点，以及整理出各种令人头疼的英文缩写的中文全称和英文全称，希望能够对同在备考网络工程师的童鞋们有帮助~如有不当的地方，还望多多指教！（持续更新中…)

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一、基本概念及通信过程

1、信源：通信中产生和发送信息的一端。
2、信宿：接受信息的一端。
3、信道：信源和信宿之间的通信线路。
4、模拟信号：模拟信号是随事件连续变化的信号，这种信号的某种参量（如幅度、相位和频率等）可以表示要传送的信息。（例如电话机送话器传输的话音信号、电视摄像机产生的图像信号等都是模拟信号）
5、数字信号：数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的，数字信号以某一瞬间的状态表示它们传送的信息。
6、模拟通信：如果信源产生的是模拟数据并以模拟信道传输，则叫做模拟通信。
7、数字通信：如果信源发出的是模拟数据且以数字信号的形式传输，那么这种通信方式叫数字通信。
【数字信号抗噪声干扰能力比模拟信号强，但是数字信号比模拟信号所要求的频带要宽得多，因而信道利用率较低】
8、通信大体过程：信息在进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接受的形式。信道的物理性质不同，对通信的速率和传输质量的影响也不同。另外，信息在传输过程中可能会收到干扰，这种干扰称为噪声。不同的物理信道受各种干扰的影响不同。（例如电信号会受到外接电磁场的干扰，但是光纤信道基本不会受到电磁场的干扰）。具体如下图：

二、数据通信计算

1、模拟信道带宽：W=f2-f1。f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。

2、数字信道带宽计算：
（1）奈奎斯特定理（无噪声情况下）：若信道带宽为W，则最大码元速率为B=2W（Baud）（码元速率的单位叫波特）。
（2）一个码元所携带的信息量n（位，bit）与马原的种类数N有如下关系：n=log2N（N=2^n）。
（3）数据速率R=Blog2N=2Wlog2N（B=2W）单位：bps或b/s。
（4）香浓定理：有噪声信道的极限数据速率C=Wlog2（1+S/N），其中W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N叫作信噪比。且分贝（dB）与信噪比有如下关系：dB=10lgS/N。
（5）计算中常用的数据：信号在电缆中的传输速率2 x 10^8m/s，卫星信道的延迟270ms。
（6）带宽的概念有两种：一种是在模拟信道，带宽按照W=f2-f1计算。一种是数字信道的带宽为信道能够达到的最大数据速率。
（7）误码率：Pc=Ne（出错的位数）/N（传送的总位数）

三、通信传输介质

1、双绞线：分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP。
具体如下图：

2、两种双绞线的线序标准：
（1）T568A：白绿 绿|白橙 蓝|白蓝 橙|白棕 棕
（1）T568B：白橙 橙|白绿 蓝|白蓝 绿|白棕 棕
3、同轴电缆：
同轴电缆的芯线为铜质导线，外包一层绝缘材料，在外面是由细铜丝组成的网状外导体，最外面加一层绝缘塑料保护层。芯线与网状导体同轴，故名同轴电缆。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。分为粗缆和细缆，传送距离长，信号稳定，常用于电视、监视系统，音响设备传送音、视频信号。
4、光纤：分为单模光纤SMF和多模光纤MMF。光纤信道中的光源可以是发光二极管LDE和注入式激光二极管ILD。光导纤维作为传输介质其优点有：具有很高的数据速率、极宽的频带、低误码率和低延迟。
5、多模光纤和单模光纤对比：
光波在光导纤维中以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径，这样的光纤叫多模光纤。如果芯线的直径小到光波波长，则光纤就成为波导，光在其中无反射地沿直线传播，这种光纤叫单模光纤。
对比如下图所示：


6、无线信道：分为无线电波和红外光波。其中无线电波主要有微波和短波两类。其中微波可以分为地面微波和卫星微波。微波通信的频率段是吉兆段的低端，一般是1-11GHz，具有带宽高、容量大的特点。短波通信的通信频率使用了甚高频（30-300MHz）和超高频（300-3000MHz）的电视广播频段。这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的，适合用作局部地区的通信。
具体分类如下图：

四、数据编码与调制

1、各类数据编码：具体常用的数据编码方案如下图。

（1）单极性码：用+3V表示“0”，用0V表示“1”。
（2）极性码：正电压表示“0”，负电压表示“1”。
（3）双极性码：这是一种信号交替反转编码（AMI）。这是一种三进制编码，抗噪声性能要比二进制编码更好。数据流中遇到“1”时使电平在正和负之间交替翻转，遇到“0”时就保持零电平（0V）。不管是连着的“1”还是隔着“0”的“1”都是前者正后者负，前者负后者正，一句话就是没有相同的高电平都是正负错开的。
（4）归零码：从正电平到零点评的转换边表示“0”，从负电平到零点评的转换边表示“1”。每一位码元中间都有电平转换，使得这种编码成为自定时的编码。
（5）双向码（降1升0）：每一位中都要有一个电平转换，也是看转换边判断。正电平到负电平的转换边表示“1”，负电平升到正电平的转换边表示“0”。am
（6）不归零码（1转0不转）：当“1”出现时电平翻转，当“0”出现时电平不翻转。即根据电平是否转换来区别“1”和“0”。
（7）曼彻斯特编码（降0升1或者降1升0）：用正电平到负电平的转换边表示“0”，用负电平到正电平的转换边表示“1”。相反也是允许的。常用于以太网，效率（数据速率/码元速率）50%。
（8）差分曼彻斯特编码（折0平1）：有电平转换表示“0”，无电平转换表示“1”。这个电平转换指的是在“0”和“1”的分界线是否出现。如果出现转换则分界线后面的一位表示“0”，如果没有表示“1”。效率50%。
（9）多电平编码：可以去多个电平之一，每个码元可以代表几个二进制位。虽然这种编码可以提高频带的利用率，但是抗噪声特性不好，在传输过程中信号容易畸变到无法区分。
（10）4B/5B编码：主要是为了提高编码效率和降低电路成本。
具体原理如下图（教材原图）

2、各种编码的效率：
（1）4B/5B效率80%，用于百兆以太网。
（2）8B/10B效率80%，用于千兆以太网。
（3）64B/66B效率97%，用于万兆以太网。
（4）曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码效率50%，用于以太网。
3、数字调制：用数字数据调制模拟信号叫作数字调制。以下为三种基本模拟调制的方式：

（1）幅度键控（ASK）：载波的幅度收到数字数据的调制而取不同的值。例如对应二进制“0”，在波振幅为“0”；对应二进制：“1”，载波振幅去“1”。调幅技术虽然实现起来简单，但是抗干扰性能较差。
（2）频移键控（FSK）：按照数字数据的值调制载波的频率。例如对应二进制“0”的载波频率为f1，对应二进制“1”的载波频率为f2。如上图中f2>f1。调频技术的抗干扰性能较好，但占用的带宽较大。
（3）相移键控（PSK）：用数字数据的值调制载波相位。例如用180相移表示“1”，用0相移表示“0”。调相技术的抗干扰性能好，而且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟。
（4）正交幅度调制（QAM）：把两个幅度相同但是相位相差90°的模拟信号合称为一个模拟信号。
4、脉冲编码调制（数字信道编码，PCM）：简称脉码调制。分为取样、量化、编码三个步骤。
（1）取样：如果取样速率大于模拟信号最高频率的两倍，则可以用得到的样本空间回复原来的模拟信号，即f=1/T>2fmax。其中f为取样频率，T为取样周期，fmax为信号的最高频率。
（2）量化：将取样后得到的连续值的样本量化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。
（3）编码：把梁化后的样本值变成相应的二进制码。其中每个二进制代码都可以用一个脉冲串来表示（例如4位一组），这4位一组的脉冲序列就代表了经PCM编码的模拟信号。
5、调制技术与码元数：n=log2N,各种调制技术的码元种类与比特位如下图所示：

五、数据通信方式

1、通信方向：
（1）单工通信：在单工信道上，信道只能在一个方向传送，发送方不能接收，接收方也不能发送。
（2）半双工通信：在半双工信道上，通信的双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。
（3）全双工通信：这是一种可同时进行双向信息传送的通信方式，例如电话通信。
2、同步方式：
（1）异步传输：把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。也叫起止式，即在字符的前后分别插入起始位“0”和停止“1”。如下图所示。起始位对接收方的时钟起置位作用。接收方的时钟置位后只要在8-11位的传送时间内准确，就能正确接收一个字符。最后的停止位告诉接收方该字符传送结束，然后接收方就可以检测后续字符的起始位。当没有字符串传送时，连续传送停止位。

加入校验位的目的时检查传输中的错误，一般使用奇偶校验。异步传输的优点是简单，但是由于起止位和校验位的加入会引入20%-30%的开销，传输速率也不会很高。总体来说传输距离远但是数据数量小。
（2）同步传输：发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYNC，接收方只要检测到连续两个以上SYNC字符就确认已进入同步状态，准备接收信息。随后的传送过程中双方以同一频率工作（信号编码的定时作用也表现在这里），直到传送完指示数据结束的控制字符。同步方式在数据块的前后加入控制字符SYNC，所以效率更高。在短距离告诉数据传输中，多采用同步传输方式。总体来说传输距离近但是数据数量大。

六、数据交换方式

1、电路交换：把发送方和接收方用一系列链路直接连通，如下图所示。电话交换系统就是采用这种交换方式。优点：独占性、实时性、适合传输大量的数据。缺点：需要建立一条物理连接，利用率低。

2、报文交换：不要求在两个通信节点之间建立专用通路。节点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，报文中含有咪表节点的地址。采用存储-转发形式根据网络“交通情况”一站一站地向前传送。如下图所示。优点：不需要专用通道，线路利用率高，存储转发节点可校验纠错。缺点：有通信时延。这种交换方式好比物流包裹。

3、分组交换：进行分组交换时，发送节点先对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源地址和目的地址以及约定的分组头信息，这个过程叫作信息的打包。一次通信中的所有分组在网络中传播的方式有两种，分别是数据包（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）。分组交换的优点：利用率更高、可选路径、数据率转换、支持优先级。缺点：时延开销大。好比邮局寄信。具体如下图所示：

（1）数据报：类似于报文交换，每个分组在网络中的传播路径完全是由网络当时的状况随机决定的。由于到达目的地的顺序可能不一样，所以目标主机必须对收到的分组从新排序才能恢复原来的信息。因此发送端要有一个设备对信息进行分组和编号，在接收端也要有一个设备对收到的分组拆头去尾。这种设备叫PAD（packet Assembly and Disassembly）。具体如下图所示。特点：单项传送，无连接。

（2）虚电路：类似于电路交换，这种方式要求在发送端和接收端之间建立一条逻辑连接。会话开始时，发送端先发送简历连接的请求消息，这个请求消息在网络中传播，图中的各个交换节点根据当时的交通状况决定取哪条线路来相应这一请求，最后到达目的端。如果目的端给予肯定的回答，则逻辑链接就建立了，以后发送端发出的一系列分组都走这条通路，直到会话结束，拆除连接。这跳逻辑链路不是专用链，仍可以链路共享。具体如下图所示。特点：交互式，逻辑连接。

七、多路复用技术

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。需要用到两个设备：多路复用器（Multiplexer）和多路分配器（Demultiplexer）。多路复用器在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号；多路分配器在接收端根据同一种规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。两种设备统称为多路器，简写位MUX。如下图所示：

1、频分多路复用（FDM）：在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输，且这些载波信号可以进行任何方式的调制，比如ASK，FSK、PSK以及它们的组合。每个载波信号形成了一个字信道，各个字信道的中心频率不会重合，子信道之间留有一定宽度的隔离频带。FDM在无线电广播系统和有线电视系统（CATV）早有使用。如下图所示：

2、时分多路用（TDM）要求各个子通道按时间篇轮流地占用整个带宽。时间片地大小可以 一次传送以为、一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来决定。如图所示：

时分多路技术可以用在宽带系统中，也可以用在频分制下的某个子通道上。按照子通道的动态利用可以分为两种：
（1）同步时分：整个传输时间被划分为固定大小地周期。每个周期内，各子通道都在固定位置占有一个时槽。这样，在接收端可以按约定地时间关系恢复各个子通道的信息流。当某个子通道的时槽来到时，如果没有信息要传送，这一部分带宽就浪费了。就好比上图中两边的的圆盘上刻有若干个时槽，有信息来的时候信息就坐在这个转盘的时槽上被传送出去。但是没有信息的时候这个时槽位就被浪费了。
（2）统计时分：这是对同步时分的改进，特别把统计时分下的多路复用器成为集中器，从而强调其工作特点。在发送端，集中器依次循环扫描各个子通道。若某个子通道有信息要发送则为它分配一个时槽，若没有就跳过，从而解决了时槽的浪费。然而需要在每个时槽加入一个控制字段，以便接收端可以确定该时槽是属于哪个子通道的。
3、波分复用（WDM）：使用在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所有子信道的波长。要使用能够对光波进行分解和合成的多路器。如下图所示：

八、数字传输系统

1、T1载波（在美国和日本广泛使用）：T1载波也叫移除群，它把24路话音信道按时分多路的原理符合在一条1.544Mbps的高速信道上。其原理是这样的：用一个编码解码器轮流对24路话音信道取样、量化和编码，将一个取样周期（125us）中得到的7位一组的数字合成，所以一公7x24位长。再在这7位数字后面插入一个信令位，故变成了8x24=192位长。这192位组成一个帧，最后再加入一个帧同步位，所以总帧长位193位。每125us传送一帧。所以容易得到其比特率为193bit/125us=1.544Mbps。如下图所示：

T1载波还可以多路复用到更高级的载波上。如下图所示：

4个1.544Mbps的T1信道结合成一个6.312Mbps的T2信道（其中多增加的位：6.312-4x1.544=0.136位是为了组帧和差错恢复）。与此类似，7个T2信道组合成1个44.736Mbps的T3信道，6个T3信道组合成1个274.176Mbps的T4信道。

2、E1载波(除美国日本以外广泛使用）：ITU-T（国际电信联盟电信标准分局）的E1信道的数据速率是2.048Mbps。这种载波把32个8位一组的数据样本组合成125us的基本帧。其中30个子信道用于话音传送数据，两个子信道（CH0和CH16）用于传送控制信令。如下图所示：

按照ITU-T的多路复用标准：4个2.048Mbps的E1载波组成8.448Mbps的E2载波。4个E2载波组成1个34.368Mbps的E3载波。4个E3载波组成1个139.264Mbps的E4载波。4个E4载波组成1个565.148Mbps的E5载波。

3、同步数字系列：光纤线路的多路复用标准由两个：美国标准叫作同步光纤网络（Synchronous Optical Network，SONET）和ITU-T的国际标准叫作同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。SDH的基本速率是155.52Mbps。成为第一级传递模块（STM-1），相当于SONET体系中的OC-3速率。如下表所示：

九、差错控制

1、检错码：奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在7位的ASCII代码后面增加1位，使码中的1的个数成为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验）。经传输，如果其中一位出错，接收端按照同样的规则就能发现错误。这种方法简单实用，但是只能对付少量的随机性错误。移动通信广泛采用。
2、海明码：在数据为m后面增加冗余校验位K，组成信息m+k，则满足m+k<2^k-1可纠正一位错误。海明码不但能检错还能纠错。
码距d：也叫海明距离，两个码字之间不同的最小的位数。
可以查出多少位错误：<=d-1
可以纠正多少位错误： 3、CRC冗余循环校验码：是一种循环码，通过循环唯一，实现检错，硬件容易实现，广泛用于局域网。CRC码只能检错不能纠错。
计算：除法OR异或。
例如生成多项式为G(x)=x^4+x+1，又信息码字为10111，求CRC校验码。

这里之所以除数为10011是因为最高幂次位4，所以一共有0-4五位数，多项式中出现哪个幂次就把对应位数字置1。又最高4次幂，所以信息码字后加4个0作为被除数。得到的这个余数就是我们要的CRC校验码。也可以按位异或，与除法相同。

十、专业名词/术语缩写整理

1、UTP：无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair）
2、STP：屏蔽双绞线（shielded Twisted Pair）
3、LED：发光二极管（Light Emitting Diode）
4、ILD：注入式激光二极管（Injection Laser Diode）
5、RZ：归零码（Return to Zero）
6、NRZ：不归零码（Not Return to Zero）
7、ASK：幅度键控
8、FSK：频移键控
9、PSK：相移键控
10、QAM：正交幅度调制
11、PCM：脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation）
12、FDM：频分多路复用（Frequency Division Multiplexing）
13、TDM：时分多路复用（Time Division Multiplexing）
14、WDM：波分多路复用（Wave Division Multiplexing）
15、CRC：循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check）
16、ITU-T：国际电信联盟电信标准分局
17、PAD：分组拆装设备（Packet Assembly and Disassembly device）

总结

本章内容主要设计数据通信基础。大体上涉及数据通信基本概念、数据通信计算、数据传输介质、数据调制与编码、数据通信方式、数据交换方式、多路复用技术、数字传输标准、数据检错纠错这九块内容。