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数字通信
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数字通信的优点: 抗干扰性强、保密性好、设备易于集成化、便于使用计算机技术对其进行处理等。
数字通信的缺点: 占用的信道频带比模拟通信宽得多,降低了信道利用率。
数据通信系统 - 模型
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由 源系统、传输系统、目的系统 组成,有五个组成部分:
数据通信系统的主要性能指标
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有效性指标: 衡量数据通信系统 传输能力 的指标。通常用 带宽、传输速率、频带利用率等指标表示。
特征性指标: 衡量数据通信系统 传输质量 的指标。
①差错率: 常用误码率表示。
②可靠性: 由两种主要指标表示:
MTBF
: Mean Time Between Failure,系统各部件相邻两次故障的平均间隔时间,一般来说MTBF值越大越好。MTTR
: Mean Time To Repair,系统发生故障时需要维修花费的平均时间,一般来说MTTR值越小越好。③通信建立时间: 反映数据通信系统同步性能的指标,该指标应尽可能短。
④适应性: 指系统对外界条件变化的适应能力。
⑤使用维修性: 操作与维护是否简单方便,应具备必要的性能显示与自动故障检测报警功能,便于迅速排除故障。同时要求系统体积小,重量轻。
⑥经济性: 就是常说的性能价格比指标。
⑦标准性: 是缩短研制周期、降低生产成本、利于用户选购、便于维修的重要措施。采用国际化标准,易于升级换代。
计算机网络的定义
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计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的,而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据,并能支持广泛和日益增长的应用。
计算机网络的功能
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①资源共享:共享网络资源是开发计算机网络的动机之一,网络资源包括 计算机硬件、软件和数据 ,通过资源共享,消除了用户使用计算机资源受地理位置的限制,也避免了资源的重复设置而造成的浪费。
硬件资源:是共享其他资源的基础,包括 处理机,内(外)存储器,输入/输出设备 等。
软件资源:各种 语言处理程序,服务程序,应用程序 等。
数据:包括 数据文件和大量的电子文档(包括音频和视频文件) 。
②数据通信:是计算机网络的基本功能,计算机联网后,为用户互通信息提供了一个公用的通信平台。
③提高系统可靠性
④有利于负载均衡
⑤提供灵活的工作环境
计算机网络的性能指标
:
①速率: 计算机网络中的主机在信道上单位时间内传输的数据量,单位 比特/秒(b/s)。
速率较高,可在b/s前加字母:k(103)、M(10?)、G(10?)、T(1012)、P(101?)、E(101?)
②带宽: 某个信号所具有的频带宽度,带宽越宽、传输速率越高,单位 比特/秒(b/s)。
③吞吐量: 单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量,单位 比特/秒(b/s)。
④时延: 数据从一端传送到另一端所需要的时间,计算机网络的时延由以下几个部分组成:
发送时延 = 数据帧长度(b) / 信道带宽(b/s)
传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道中的传播速率(m/s)
2.3*10?km/s
,在光缆中的传播速率是2.0*10?km/s
。⑤时延带宽积: 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
⑥利用率: 利用率分为网络利用率和信道利用率。
网络协议的三要素
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消息和信息
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消息和信息的区别: 消息是信息的载体,消息中可能包含有信息,但消息和信息是两个不同的概念。
消息包含信息量的多少: 根据香农的理论,一条消息包含信息的多少称之为信息量。信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关。如果一条消息所表示的事件是必然事件,即该事件发生的概率为1,则该消息所传递的信息量应该为0。如果一条消息表示的是一个根本不可能发生的事件,那么这条消息就含有无穷的信息量。香农规定,一条消息所荷载的信息量I
,等于它所表示的事件发生的概率p
的倒数的对数。即信息量为:
信号
:
传输方式
:
基带传输:不搬移数据信号频谱的传输体制。基带信号包含的频率成分范围极宽,故只限在能通过此频率分量的线路上使用。
频带传输:一种利用调制解调器搬移数据信号频谱的传输体制,搬移频谱的目的是为了适应传输信道的频率特性。
串行传输:数据在一个信道上按位依次传输的方式。
并行传输:数据在多个信道上同时传输的方式。
异步传输:对每一个传送的字符一般都附加有一个起始位和一个停止位。
同步传输:通常不是独立地发送每个字符(每个字符都有自己地开始位和停止位),而是把它们组合起来构成数据帧进行传输。
区别:
单工传输:两数据站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号。
半双工传输:两数据站之间能够在两个方向上传送数据信号,但不能同时进行。
全双传输:两数据站之间能够在两个方向上同时传送数据信号。
传输速率(考计算)
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调制速率RB
表示信号在调制过程中,单位时间内调制信号波形的变换次数,即单位时间内所能调制的次数,简称波特率,单位 波特(baud)。 如果一个单位调制信号波的时间长度为T
秒,则:调制速率RB = 1 / T(s)(baud)
数据信号速率Rb
简称比特率,表示单位时间内通过信道的信息量,单位 比特/秒(b/s):
多状态的调制信号,如多相调制中的 4相和 8 相调制,多电平调幅中的 4 电平和8 电平调制等。在 4 相制调制中,单位调制信号波包含着2 位的信息量 ; 在 8 制调制中,单位调制信号波包含3位的信息量 。
传输损伤
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ITU-T推荐使用误码、抖动、漂移、滑动和时延 等来表示数字传输损伤:
传输损伤产生的原因:
①源于外界环境干扰和设备内部的技术缺陷。
②来自传输损伤之间的互相影响或转化。
传输质量
:
传输损伤对传输质量的影响,可用以下指标加以描述:
衰减 :当信号沿传输介质传输时,因其中的部分能力转换成热能或被传输介质所吸收,信号强度会不断减弱,这种现象称为衰减。
衰减和增益的关系 :当信号通过传输系统时,若输出端功率P2
小于输入端功率P1
,则信号在系统中经过了衰减,反之,则认为信号在传输系统中得到了增益。
信号通过传输系统时,其波形可能发生畸变,这种现象称为失真。
衰减失真(振幅失真): 由衰减所引起的失真,这种失真与信号的频率有关,主要来源于音频电缆与系统中的滤波器。
相位失真(群时延失真): 由路线的相位-频率特性的非线性或不同频率分量的传播速度不一致导致的失真,也主要来源于音频电缆与系统中的滤波器。
衰减失真和群时延失真 对数据传输的主要影响是使得码元信号波形展宽,从而引起码间串扰 ,这是传输速率受到限制的主要原因。通过增加码元宽度和采用均衡等措施 可以减少码间串扰的影响。
衰减和失真时是引发数字信号畸变的主要原因。
①规则畸变: 信号波形按一定的法则有规律地发生代码畸变,这是由电源电压不平衡,电平变动,调制解调器调整不良等因素引起的,规则畸变分为偏畸变和特性畸变。
1
时间伸长,使0
时间 缩短。0
时间伸长,使1
时间 缩短。短1
和短0
两者都伸长。短1
和短0
两者都缩短。②不规则畸变: 指无规律地发生代码畸变,传输信道的噪音、串音和设备不规则的调制等是引起不规则畸变的原因。
噪声: 指那些额外混进来的非期望信号, 这是制约传输系统性能的重要因素。
①热噪声: 即服从正态分布而功率谱密度又是均匀分布的噪声,又称为高斯白噪声。
②交调噪声:是多个不同频率的信号公用同一传输介质可能产生的噪声,是出现在系统输出端的一些附加的频率成分。
③串音:串音是一条信号道路中的信号在另一条信号道路上产生的干扰信号,又称串扰。
④脉冲噪声:脉冲噪声是一种突发的振幅很大且持续时间很短,耦合到信号通路中的非连续的尖峰脉冲引起的干扰信号。脉冲噪声对语音通信的危害并不十分显著,然而它却是数据通信出现差错的主要根源 。
干扰:
信噪比SNR(Signal Noise Rate),用来描述信号在传输过程中不可避免受到噪声影响的度量,该值越高越好。信噪比SNR指在信号通路的某一点上,信号有效功率PS与混在信号中的噪声有效功率PN之比值
度量误码损伤的严重程度一般用下述两个指标:
①平均误码率
②误码秒平均时间百分数
信道容量的计算
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模拟信号的抽样
:
模拟信号通常是在时间上连续的信号,对这种信号在一系列离散的时间点上,进行抽取其样值,我们称这种操作为抽样。
对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样是,若抽样速率足够高,则这些抽样值就能够完全代表原模拟信号。
一个周期性脉冲序列具有 4 个参量:脉冲重复周期、脉冲振幅、脉冲宽度和脉冲相位(位置) 。其中脉冲重复周期也就是抽样周期,其值一般由抽样定理决定,因此只有其他3个参量可以受调制。
上述各种类型的调制,虽然在时间上是离散的,因它们代表信息的参量仍然是可以连续变化的,所以仍然是模拟调制。而这些已调信号也属于模拟信号。
抽样模拟信号的量化
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常用的编码方法有以下两种:自然二进制码和折叠二进制码。
数字基带传输技术
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①基带传输是近距离数据通信广泛采用的一种传输方式,颇有实用价值;
②大多数数据传输系统在对传输信号进行与信道匹配的调制之前,都有一个处理基带波形的过程;
③理论上可以证明,任何一个采用线性调制的带通传输系统总是可以由一个等效的基带传输系统所替代;
基带传输对信号的要求
:
基带信号的波形
:
数据交换技术
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根据一方的请求在一对站(或数据终端)之间建立的电气连接过程,其接续路径采用物理连接。
为了克服电路交换存在的缺点,提出了报文交换的思想。
分组交换,报文分组交换的简称,又称为包交换,不同于报文交换将整个报文作为交换单位,分组交换将一份较长的报文分解成若干个定长的分组,每个分组前加上报头和报尾。
物理层接口特性
:
物理层协议实际上是数据终端设备DTE
和数据电路终接设备DCE
之间的一组接口 。
数据终端设备DTE: 一种具有一定的数据处理和转发能力的设备,还具有根据协议控制数据通信的功能。
数据电路终接设备DCE: 作用是在DTE和数据线路之间提供信号变换和编码的功能,且负责建立、保持和释放数据链路。
标准化的DTE/DCE接口具有以下4方面特性:
DTE/DCE标准接口的电气特性规定了DTE/DCE 之间多条信号线的电气连接及有关电路特性:
DTE/DCE 标准接口的电气连接有以下 3 种方式:
DTE/DCE 标准接口的功能特性主要是对各接口信号线 做出确切的功能定义 以及相互间的操作关系定义 。
DTE/DCE 标准接口的规程特性 规定了 DTE/DCE 接口信号线之间的相互关系、动作顺序及维护测试操作等 内容。规程特性反映了通信双方在数据通信过程中可能发生的各种事件。
物理层与数据链路层的区别
:
物理层:
数据链路层:
数据链路层的主要功能
:
帧定界
:
帧定界 (framing)就是确定帧的边界,从传送的比特流中正确地分离出来。帧定界可采用下面4种方法。
以标志字节FLAG
作为帧定界。
当标志字节出现在待传送的数据信息当中时,就会被误认为是帧的边界。解决方式:发送端的数据链路层在出现标志字节前插入一个转义字符 (ESC
);接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除掉这个转义字符。这种技术称为字节填充 (byte stufing)。
如果转义字符出现在待发送的数据信息当中。解决方式:仍是用一个转义字符来填充。
以标志字节01111110
作为帧定界。
比特填充法,使用零比特插入、删除
技术:发送端的数据链路层遇到数据比特流中出现5个连续“1”的时候,它就自动在输出比特流中插入一个“0”;接收端遇到 5 个输入比特为“1”,且后面紧接的是“0”时,自动将其删除。
字节计数法采用一个特定字符来表示一帧的开始 ,随后使用一字节计数字段指明该帧所要求传输的字节数 。接收端通过对特定字符的识别,从比特流中确切地区分出帧的起始位置,接着按照字节计数字段注明的字节数来确定该帧的结束位置。
存在问题: 如果字节计数字段的值在传输过程中出现错误,那么就无法确定帧的结束边界。
非法比特编码法仅适用于物理介质上采用特定的比特编码的场合。特定场合下,将非法比特码
作为帧定界。
例如,当基带传输码型采用双相码时,每个码元的中点都存在电平跳变,如以“先高后低”电平变化表示比特“0”,而以“先低后高”电平变化表示比特“1”。这样,对于码元中点不发生电平跳变的比特编码就属于非法比特编码,这种非法比特编码可用作帧的定界。
透明传输
:
字节填充技术
实现透明传输。零比特插入、删除技术
实现透明传输。差错检测
:
PPP 和 PPPoE协议(点对点信道的数据链路层协议)
:
①一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法 。它既支持异步链路,也支持面向比特的同步链路。IP 数据报作为 PPP帧 的信息部分,其长度仅受最大传送单元 MTU的限制。
②一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP (Link Control Protocol) 。该协议允许通信双方协商一些配置选项。RFC 1661 定义了 11 种 LCP帧 的类型。
③一组网络控制协议NCP(Network Control Protocol) 。其中的每一个协议支持不同的网络层协议,如 IP,OSI 网络层,DECnet 等。
1999 年还公布了可运行在以太网上的 PPP,即 PPPOE 协议 (PPP over Ethernet) 007,这是一个目前流行于宽带接入方式 ADSL 使用的数据链路层协议。PPPOE基于两个广泛接受的标准,即以太网协议和 PPP 协议。
数据链路层与网络层的区别
:
网络层提供的服务
:
虚电路服务是网络层向传输层提供 的一种使所有分组都能按序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。 在进行数据通信的两个端系统之间存在着一条为之服务的虚电路。由于虚电路服务使得所有分组通信经由同一条虚电路,因而这些分组到达目的端系统的顺序与发送时的顺序是完全一致的。
数据报服务则是另一种情况。每一个分组都携带完整的目的地址信息,独立地选择不同的路由。 由于每个分组经历的路由不同,到达目的端系统的所花费的时间也不一样,因而这种服务不能保证分组按发送顺序交付给目的端系统。
IP数据报的格式
:
在TCP/IP标准中,各种数据格式常以32位(即4B)为单位加以描述。
①版本(4 位)。指明 IP 协议的版本号。
②首部长度(4 位)。表示数据报首部的长度。
③)区分服务(8 位)。表示对数据报的服务要求,只在使用区分服务时才起作用。它分为以下6个子字段:
④总长度 (16 位)。表示整个 IP 数据报(包括首部和数据)的长度,以字节为单位。
⑤标识(16位)。该字段用于目的主机将数据报各分片重装成原来的数据报。
⑥ 标志 (3 位)。该字段目前只有后两位有意义。其中:
⑦片偏移(13 位)。表示本片在原数据报中的偏移,偏移量以 8B 为单位。
⑧生存时间(8位)。表示本数据报在网络中存在的最长寿命,记作 TTL (Time To Live),最初以秒为计量单位。
⑨协议(8 位)。表示此数据报携带的数据所使用的协议编号。常用的一些协议和相应协议字段的值如下:
⑩首部检验和(16 位)。该字段只用于检验数据报的首部,但不包括数据部分。
⑩①源 IP 地址(32 位)和目的 IP 址(32位)。这两个字段分别表示本数据报的源主机和目的主机的因特网地址。
⑩② 选项和填充 (可变)。选项字段的长度取决于所选取的选项个数,其长度 1~40B。每一选项由3个部分组成:选项码 (1B)、长度(B)和项数据 (由"长度"部分决定)。而选项码又由复制(1 位)、选项类(2 位)和选项号(5 位)三部分组成。
数据部分用于封装上层(传输层)报文,表示所发送数据报的具体内容,其长度以字节计,数据报的最大长度(含首部)为65535B
。
内部网关协议
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RIP
距离向量算法:
UDP主要特点
:
UDP主要特点
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TCP传输控制
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即时确认: 接收端收到的数据正确而且被接受,就立即返回一个确认报文。
累积确认: 接收端收到的数据正确而且被接受,先将其作为需要确认的报文记录在案,再收到几个分组后,只对按序到达的最后一个分组发送确认。
①TCP 维持一个变量,它等于最大报文长度 MSS。只要缓冲区中存放的数据达到 MSS字节时,就组装成一个报文段发送出去。
②由发送端的应用进程指明要求发送报文段,利用 TCP 报文段格式中控制字段的推送操作位(push)的作用。接收端 TCP 收到此报文段后,就尽快地交付给接收端的应用进程,而不再等到整个缓冲区都填满了以后再向上交付。
③发送端设置一个计时器,待计时器所设置的时间一到,就把当前缓冲区中的数据装入报文段(长度不超过 MSS)发送出去。但问题在于如何控制 TCP 发送报文段的时机。
在传送报文过程中,凡是出现下列两种情况都必须将该报文段重新发送:
①报文段在传输过程中受损,但仍能到达接收端。该报文段被接收端检验发现差错,接受实体便将其丢弃。此后,发送端等待应答超时,必须重传原来发送过的报文段。
②报文段在传输过程中丢失,没能到达接收端目的站,由于发送端的传输实体并不知道这个报文段的传输已经失败,所以也高重传原来发送过的报文段。
TCP拥塞控制
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拥塞: 当对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的能力,而导致网络性能的下降。