软考-中级-网络工程师-笔记-第2章-数据通信基础

软考-中级-网络工程师-笔记-第1章-计算机网络概论

第2章 数据通信基础

2.1 数据通信的基础概念

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模拟信号-连续的

数字型号-离散到

来奎斯特

香农定理

2.2 信道特性

2.2.1 信道带宽

信道带宽(W)

模拟信道:带宽 W = f 2 − f 1 W=f2-f1 W=f2f1(信道能通过最高/最低评率,单位赫兹Hz)

数字信道:数字信道时离散信道。带宽为信道能够达到的最大传输速率,单位是bit/s

B=byte=8bit

数据传输速率

指每秒能够传输的二进制数据位数。单位为比特/秒(bit/s或者b/s或者bps)

码元:一个数字脉冲称为一个码元(可以理解为时钟周期的信号)

码元速率:单位时间内信道传送码元的个数。如果码元宽度(脉冲周期)为T,则码元速率(波特率)为B=1/T,单位是波特(Baud)

一个码元携带信息量为n(位)与码元种类书(N)的关系 n = log ⁡ 2 N n=\log_2 N n=log2N

尼奎斯特定理:在一个理想的(没有噪声环境)信道中,若信道带宽为W,最大码元速率为: B = 2 W ( B a u d ) B= 2W(Baud) B=2WBaud

极限数据速率 R = B log ⁡ 2 N = 2 W log ⁡ 2 N R=B\log_2 N = 2W \log_2 N R=Blog2N=2Wlog2N

每秒包裹总重=每秒发送包裹个数*每个包裹重量(码元速率*每个码元写到的信息量)

香农定理 :在一个噪声信道的极限速率和带宽之间的关系

极限速率公式: C = W log ⁡ 2 ( 1 + S / N ) C=W\log_2(1+S/N) C=Wlog2(1+S/N)

分贝与信噪比关系: d B = 10 log ⁡ 10 S / N dB=10\log_{10}S/N dB=10log10S/N

其中W为带宽,S为信号平均功率,N为噪声平均功率。S/N为信噪比。

带宽20M 信噪比 1 求极限带宽

C = 20 log ⁡ 2 1 C=20\log_21 C=20log21

2.2.3 信道延迟

误码率是传输出错的码元数占传输总码元数的比例

误码率一般小于 1 0 − 6 10^{-6} 106

网络性能参数:

  • 数据延时 < 200ms
  • 语音视屏延时 < 50ms
  • 抖动 < 20ms
  • 丢包率 < 1%

信道延迟:

发送数据时间=线路延迟+调制研制

线路延迟=传输距离/传输速度(路上的时间)

调制延迟=数据帧大小/速率(排队上车的时间)

光速=300000km/s

电缆速度=200000km/s

卫星信道的时延大约是270ms(双向的延迟)

2.3 传输介质

2.3.1 双绞线

8根铜线每两根扭在一起,百兆用4根-1246,千兆必须用8根

分类:直通线/交叉线,屏蔽和非屏蔽

2.3.2 同轴电缆

2.3.3 光缆

利用光在玻璃或者塑料纤维中全反射原理达成的光传到工具

光传导损耗比电缆传导消耗低,距离长

特点: 重量轻、体积小、传输远、容量大、抗电磁干扰

光线分类:

单模光纤:一种模式在其中传播。大容量、长距离传输(贵)

多模光纤:容量小距离短,允许多种模式光信号传播

2.3.4 无线通信

无线信道包括微波、红外和短波信道,

2.4 数据编码

1. 单极性码

用正的(或者负的)电压表示数据。高电压表示1,0点压表示0

2. 极性码

分别用正负电压表示二进制0和1

3. 双极性码

交替反转编码(AMI)0电平表示0 1则在正负之间交替反转 1跳0不跳

4. 归零码(RZ)

码元中间的信号回归到0电平,

从负到0表示1 从正到0表示0

5. 不归零码(NRZ)

出现1电平翻转,出现0电平不反转-差分码 1跳0不跳

6. 双相码

一高一低必须翻转,具有自定时和检测错误的功能

7. 曼切斯特编码

自定义 低到高为1 高到低为0

8. 差分曼切斯特编码

有变化为0 无变化为1 (有0无1)

两种曼切斯特编码的特点:

  • 优点:将时钟和数据包含在信号数据流中,也成自同步码
  • 编码效率低
  • 编码效率都是50%,一般用于最早的10M以太网编码

9. 多电平编码

10. 4B/5B编码

发送数据流每4bits。使用不归零码(NRZ- I)编码成5bit。多一位用于解决同步问题。

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编码效率:

曼切斯特和差分曼切四特50%

4B/5B效率80% 用于百兆以太网

8B/10B效率80%。用于前兆以太网

64B/66B效率97%,用于万兆以太网

2.5 数字调制技术

数字信号转换成模拟信号为调制,模拟信号转换为数字信号为解调

  1. 幅度健控(ASK):用载波的两个不同振幅表示0和1
  2. 频移键控(FSK):用载波的两个不同频率表示0和1
  3. 相移键控(PSK):用载波的的起始相位的变化表示0和1
  4. 正交幅度调制(QAM):把两个幅度相同但相位差90度的模拟信号合成一个模拟信号

2.6 脉冲编码调制

解调: 把模拟信号转换成数字信号的过程

脉码调制:PCM

PCM数字化过程3个步骤:采样、量化、编码

2.6.1 取样

按照一定的时间间隔对模拟信号进行取样,把模拟信号的当前值当作样本。

奈奎斯特取样定理:如果取样速率大千模拟信号最高频率的两倍,则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号,即
f = 1 T > 2 f m a x f=\frac{1}{T}>2f_{max} f=T1>2fmax
其中:f为取样频率,T为取样周期。 f m a x f_{max} fmax为信号的最高频率。

2.6.2 量化

把取样后得到的样本由连续值转化为离散值,离散值的个数决定了量化的精度

量化等级N

n = log ⁡ 2 N n=\log_2N n=log2N

2.6.3 编码

编码:把量化后的样本变成相应的二机制代码。可以得到相应的二进制代码序列。其中每个二进制代码都可以用一个脉冲串来表示,这一组脉冲序列就表示了经PCM编码的模拟信号。

例如:对声音信号数字化,声音最高频率是4kHz,采样频率为8kHz,对语音样本用128个等级量化,因而每个样本用7bit表示,在数字信道上传输着用数字化后的语音信号的速率是7*8000=56Kbps.
$$
N=128 \

n=log_2N=7
$$

2.7 通信方式和交换方式

2.7.1 数据通信方式

  1. 通信方向

单工通信

信息智能在一个方向传输,发送方不能接受,接收方不能发送(电视/广播)

半双工通信

通信的双方可以交替进行发送和接受消息,但不能同时接受或发送(对讲机/WIFI/HUB)

双工通信

通信双方可以同时进行双向的信息发送(电话/交换机)

  1. 同步方向

异步传输

​ 把各个字符分开传输,在字符串之间插入一位起始位(0),在自负之后插入一位停止为(1),起始位度i接收方的时钟气质为,在自负和停止位之间加入一个校验位,一般使用奇偶校验

同步传输

比特分组(帧)要大,

2.7.2 交换方式

  1. 电路交换
    将数据传输分为电路建立、数据传输和电路拆除3个过程,在数据传输之前需要建立一条物理链路,在线路被释放之前、该同路将一直被用户完全占有(电话)
  2. 报文交换
    报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。报文中含有每一个吓一跳节点,完整的报文在一个个节点间传送(快递)
  3. 分组交换
    • 数据报
      每个分组被独立处理,每个节点根据一个路由选择算法,每个分组悬着一条路径,使他们的目的地相同(IP)
    • 虚电路
      在数据传输之前,先建立一条逻辑上的连接,每个分组又沿着一条路经传输(X.25、FR、ATM、VPN)
    • 特点:减小网络延迟,提高吞吐量、分组纠错、重发错误分组,通信效率提高。

2.8 多路复用

多路复用技术是把多个低速的信道组合成一个告诉的信道的技术

光纤入户:上网、电视、电话

两个设备:多路复用器、多路分配器

MUX

2.8.1 频分多路复用

无线广播、ADSL、FDD-LTE

2.8.2 时分多路复用

T1/E1、SONET/SDH、WIFI、TDD-LTE

2.8.3 波分多路复用

光纤信号传输

2.8.4 数字传输系统

T 1 T_1 T1载波也叫一次群,它把24 路话音信道按时分多路的原理复合在一条1.544Mbps 的高速信道上。

T 1 = 56 K ∗ 24 + 开 销 与 间 隔 = 1.544 M T_1=56K*24+开销与间隔=1.544M T1=56K24+=1.544M

ITU-T 的E1 信道的数据速率是2.048Mbps (如图2-24 所示)。这种载波把32 个8 位一组的数据样本组合成125μs 的基本帧,其中30 个子信道用千话音传送数据,两个子信道( CH0和CH16) 用于传送控制信,每4 帧能提供64 个控制位。除了北美和亚洲的日本外, E1载波在其他地区得到了广泛使用。

E 1 E_1 E1每语音64K(=8*8000)

2.8.5 同步数字系列

美国标准叫作同步光纤网络(Synchronous OpticalNetwork, SONET);

ITU-T 以SONET 为基础制订出的国际标准叫作同步数字系列(SynchronousDigital Hierarchy, SDH)

SDH 的基本速率是155.52Mbps

基本速率OC-1约等于50 其他的乘以数字即可。

2.9 差错控制

差错控制原理:传输k位。加入r位冗余(某种算法定义),接收方收到进行计算比较,

接收方知道又差错发生,但不知道是怎样的差错,向发送方请求重传,检错。

接收方知道有差错发生,而且知道是怎样的插叙哦,这种重测策略要纠错。

2.9.1 检错码

奇偶校验:最常见的检错方法,能检出一位错误

原理: 在7位的ASCII码增加一位,使码字中1的个数成奇数或偶数

奇校验:使1的个数为技术

偶校验:使1的个数为偶数

2.9.2 海明码

海明码

海明距离:一个码字要变成另一个码字是必须改变的最小位数

海明码原理:在数据中间加入几个校验码,码距均匀拉大,当某一位出错,会引起几个校验位的值发生变化如果对于m 位的数据增加k 位冗余位,则组成$n=m+k 位 的 纠 错 码 。 对 千 2 m 个 有 效 码 字 中 的 每 一 个 , 都 有 n 个 无 效 但 可 以 纠 错 的 码 字 。 这 些 可 纠 错 的 码 字 与 有 效 码 字 的 距 离 是 1 , 含 单 个 错 误 位 。 这 样 , 对 于 一 个 有 效 的 消 息 总 共 有 位的纠错码。对千2m 个有效码字中的每一个,都有n 个无效但可以纠错的码字。这些可纠错的码字与有效码字的距离是1, 含单个错误位。这样,对于一个有效的消息总共有 2mn1,n+1$个可识别的码字。这n+1个码字相对于其他$2^m-1 $个有效消息的距离都大于1 。这意味着总共有 2 m ( n + 1 ) 2^m (n+1) 2m(n+1个有效的或者可纠错的码字。显然, 2 m ( n + 1 ) ≤ 2 n 2^m(n+1)\leq 2^n 2m(n+1)2n
这个数应小于等于码字的所有可能的个数,即是,有
海明不等式:m表示消息 n表示校验码的位数
发送消息的长度为k
k = m + n k=m+n k=m+n

2 r − 1 ≥ m + r 2^r-1\geq m+r 2r1m+r 1表示正确的情况

数据位M 校验码P位
k=m+P,

海明吗编码方法

数据 1010

根据海明不等式 2 n ≥ m + n + 1 2^n \geq m+n+1 2nm+n+1

m = 4 得 n ≥ 3 m=4 得n\geq 3 m=4n3

海明编码排列

2的n次方位置放置校验码,其他位置数数据位。

(n=0、1、2、3…)

1 2 3 4 5 6 7
p 1 p_1 p1 p 2 p_2 p2 1 p 3 p_3 p3 0 1 0

分组
分组规则

p 1 p_1 p1和数据位序号二进制第1位的数据位一组

p 2 p_2 p2和数据位序号二进制第2位的数据位一组

p 3 p_3 p3和数据位序号二进制第3位的数据位一组

1 ( 001 ) 1\\(001) 1(001) 2 ( 010 ) 2\\(010) 2(010) 3 ( 011 ) 3\\(011) 3(011) 4 ( 100 ) 4\\(100) 4(100) 5 ( 101 ) 5\\(101) 5(101) 6 ( 101 ) 6\\(101) 6(101) 7 ( 111 ) 7\\(111) 7(111)
p 1 p_1 p1 p 2 p_2 p2 1 p 3 p_3 p3 0 1 0

p 1 m 3 m 5 m 7 p 2 m 3 m 6 m 7 p 3 m 5 m 6 m 7 \begin{matrix} p_1&m_3&m_5&m_7\\ p_2&m_3&m_6&m_7\\ p_3&m_5&m_6&m_7\\ \end{matrix} p1p2p3m3m3m5m5m6m6m7m7m7

填入数据:

p 1 1 0 0 p 2 1 1 0 p 3 0 1 0 \begin{matrix} p_1&1&0&0\\ p_2&1&1&0\\ p_3&0&1&0\\ \end{matrix} p1p2p3110011000

通过奇偶校验规则计算校验码的值

奇校验
p 1 = 0 1 0 0 p 2 = 1 1 1 0 p 3 = 0 0 1 0 \begin{matrix} p_1=0&1&0&0\\ p_2=1&1&1&0\\ p_3=0&0&1&0\\ \end{matrix} p1=0p2=1p3=0110011000

偶校验
p 1 = 1 1 0 0 p 2 = 0 1 1 0 p 3 = 1 0 1 0 \begin{matrix} p_1=1&1&0&0\\ p_2=0&1&1&0\\ p_3=1&0&1&0\\ \end{matrix} p1=1p2=0p3=1110011000

按照数位填入校验码得到海明码字

奇校验码字

0 1 1 0 0 1 0 \begin{matrix} &0&1&1&0&0&1&0&\\ \end{matrix} 0110010

偶校验码字

1 0 1 1 0 1 0 \begin{matrix} &1&0&1&1&0&1&0&\\ \end{matrix} 1011010

数据传输后进行校验和纠错

1、接收方收到的奇校验海明码数据为
0 1 1 0 1 1 0 \begin{matrix} &0&1&1&0&1&1&0&\\ \end{matrix} 0110110
校验过程:

计算e值,通过e值知道出错的数据位数。
e 1 p 1 m 3 m 5 m 7 e 2 p 2 m 3 m 6 m 7 e 3 p 3 m 5 m 6 m 7 \begin{matrix} e_1&p_1&m_3&m_5&m_7\\ e_2&p_2&m_3&m_6&m_7\\ e_3&p_3&m_5&m_6&m_7\\ \end{matrix} e1e2e3p1p2p3m3m3m5m5m6m6m7m7m7
填入数据
e 1 0 1 1 0 e 2 1 1 1 0 e 3 0 1 1 0 \begin{matrix} e_1&0&1&1&0\\ e_2&1&1&1&0\\ e_3&0&1&1&0\\ \end{matrix} e1e2e3010111111000
通过奇校验规则得到e值。
e 1 = 1 0 1 0 0 e 2 = 0 1 1 1 0 e 3 = 1 0 0 1 0 \begin{matrix} e_1=1&0&1&0&0\\ e_2=0&1&1&1&0\\ e_3=1&0&0&1&0\\ \end{matrix} e1=1e2=0e3=1010110011000

同过e值算出出错位,
e 3 e 2 e 1 1 0 1 \begin{matrix} e_3&e_2&e_1\\ 1&0&1\\ \end{matrix} e31e20e11
二进制 101=5

所以接收方第5位数据出错,将第五位纠正即可得到正确的数据。
0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 \begin{matrix} &0&1&1&0&1&1&0&\\ &1&2&3&4&5&6&7&\\ \end{matrix} 01121304151607
更改后得到正确数据
0 1 1 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 \begin{matrix} &0&1&1&0&0&1&0&\\ &1&2&3&4&5&6&7&\\ \end{matrix} 01121304051607

2、接受方收到的偶校验海明码数据为
1 0 1 1 0 1 1 \begin{matrix} &1&0&1&1&0&1&1&\\ \end{matrix} 1011011
校验过程:

计算e值,通过e值知道出错的数据位数。
e 1 p 1 m 3 m 5 m 7 e 2 p 2 m 3 m 6 m 7 e 3 p 3 m 5 m 6 m 7 \begin{matrix} e_1&p_1&m_3&m_5&m_7\\ e_2&p_2&m_3&m_6&m_7\\ e_3&p_3&m_5&m_6&m_7\\ \end{matrix} e1e2e3p1p2p3m3m3m5m5m6m6m7m7m7
填入数据
e 1 1 1 0 1 e 2 0 1 1 1 e 3 1 0 1 1 \begin{matrix} e_1&1&1&0&1\\ e_2&0&1&1&1\\ e_3&1&0&1&1\\ \end{matrix} e1e2e3101110011111
通过偶校验规则得到e值。
e 1 = 1 1 1 0 1 e 2 = 1 0 1 1 1 e 3 = 1 1 0 1 1 \begin{matrix} e_1=1&1&1&0&1\\ e_2=1&0&1&1&1\\ e_3=1&1&0&1&1\\ \end{matrix} e1=1e2=1e3=1101110011111

同过e值算出出错位,
e 3 e 2 e 1 1 1 1 \begin{matrix} e_3&e_2&e_1\\ 1&1&1\\ \end{matrix} e31e21e11
二进制 111=7

所以接收方第7位数据出错,将第七位纠正即可得到正确的数据。
1 0 1 1 0 1 1 1 2 3 4 5 6 7 \begin{matrix} &1&0&1&1&0&1&1&\\ &1&2&3&4&5&6&7&\\ \end{matrix} 11021314051617
更改后得到正确数据
1 0 1 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 \begin{matrix} &1&0&1&1&0&1&0&\\ &1&2&3&4&5&6&7&\\ \end{matrix} 11021314051607

3、接收方接收到奇校验数据为
0 1 1 0 0 1 0 \begin{matrix} &0&1&1&0&0&1&0&\\ \end{matrix} 0110010
计算e值
e 1 = 0 0 1 0 0 e 2 = 0 1 1 1 0 e 3 = 0 0 0 1 0 \begin{matrix} e_1=0&0&1&0&0\\ e_2=0&1&1&1&0\\ e_3=0&0&0&1&0\\ \end{matrix} e1=0e2=0e3=0010110011000

e 3 e 2 e 1 0 0 0 \begin{matrix} e_3&e_2&e_1\\ 0&0&0\\ \end{matrix} e30e20e10
二进制(000)等于0

表示数据传输正确。

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2.9.3 循环冗余校验码

CRC循环冗余校验吗能检错不能纠错,

生成多项式:C(x)=X4+

1、校验位的位数,生成多项式的最高次方是几校验位就是几位,

2、补气数据为后面的0 10111 0000

3、提取申城多项式的系数 10011

4、用第二步的结果除以第三位的结果(异或运算)余数不够,补零,余数就是CRC校验码

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