1、網(wǎng)絡(luò)工程師培訓(xùn)基本概念 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號是連續(xù)變化的量數(shù)字信號是離散的量基本概念 周期信號如果一個信號能在一個可測定的時間內(nèi)，以同樣長短的周期不斷重復(fù)同一個完整的模式，則稱這個信號為周期性信號。如果一個信號在隨時間不斷變化的過程中沒有任何固定的模式和波形重復(fù)出現(xiàn)，則這個信號就是非周期性信號。周期信號也可以分為周期模擬信號和周期數(shù)字信號?；靖拍?信號的三要素信號的三要素是：l振幅Al周期T（或頻率f ）l相位基本概念 簡單信號和復(fù)合信號模擬信號可以分為簡單信號和復(fù)合信號。簡單模擬信號不能再分解，而復(fù)合信號可以被分解為多個簡單信號。a)b)基本概念 數(shù)字信號分解一個數(shù)字信號可以被分解為

2、無窮多個簡單的正弦波（或余弦波），這個簡單的正弦波（或余弦波）叫做諧波。每個諧波都有不同的振幅、頻率和相位。當(dāng)在傳輸介質(zhì)上發(fā)送數(shù)字信號時，其實是在發(fā)送多個簡單信號?；靖拍?波特率、比特率與碼元波特率（Baud Rate）是指單位時間內(nèi)信號波形所能達到的最大變換次數(shù)，單位為赫茲（Hz）。信號波形的變換實質(zhì)上是表示信號的函數(shù)發(fā)生了改變，即示正弦諧波的三要素：振幅、頻率和相位中的某一元素發(fā)生變化。單位時間內(nèi)在信道上傳送的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)）稱為數(shù)據(jù)速率，又稱為比特率，其單位為bps或b/s。在數(shù)字信號中，一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元（Symbol），一次脈沖的持續(xù)時間稱為碼元的寬度。碼元速率（Symbo

3、l Rate）表示單位時間內(nèi)信號波形的最大的變換次數(shù)，即單位時間內(nèi)通過信道的碼元個數(shù)。碼元速率即數(shù)字信號中的波特率，所以碼元速率的單位也為波特?？磮D答問下圖是一個典型的正弦波，請問它的波特率是多少？基本概念 頻譜與帶寬如果一個復(fù)合信號可以分解為多個諧波。每個諧波是原信號的分量，都有振幅、頻率和相位三個要素。信號頻譜是信號的所有分量的頻率的集合。帶寬（Broad）是頻譜的寬度，即頻譜中最高頻率與最低頻率的差值。帶寬的單位是赫茲（Hz），與頻率的單位相同。例如，一個周期信號可分解為五個頻率為100Hz、200Hz、400Hz、500Hz和800Hz的正弦波，則最高頻率fh=800Hz，最低頻率fl

4、=100Hz，帶寬B=fh - fl=800Hz -100Hz=700Hz?；靖拍?介質(zhì)帶寬與有效帶寬傳輸介質(zhì)在傳送信號時只能傳送某個頻率范圍內(nèi)的信號，這個頻率范圍的寬度便是介質(zhì)帶寬，即介質(zhì)所能傳送信號的最高頻率與最低頻率的差值。介質(zhì)帶寬是由介質(zhì)本身所決定的，它是介質(zhì)的一個物理性質(zhì)。數(shù)字信號與模擬信號的頻譜包括不同振幅的多個（甚至無窮多個）頻率。但在傳輸時不可能傳輸原始信號頻譜的全部頻率，而只是傳輸那些具有重要振幅的分量。這一部分被傳輸?shù)姆至康念l率組成的頻譜叫做有效頻譜，其帶寬為有效帶寬?；靖拍?傳輸模式基本概念 通信模式數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ) 傅立葉分析) )2cos()2sin(2)(10n

5、nnnftbnftaatf任何正常的周期為T的函數(shù)f (t)，都可以展開成多個、甚至無限個正弦和余弦函數(shù)。在通信中的意義是：任何一個周期信號，無論它有多么復(fù)雜，總可以被分解為多個、甚至無限個簡單信號。數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ) 尼奎斯特定理當(dāng)一個無噪音的帶寬為3K Hz的信道傳輸二進制信號時，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率（即比特率）不會超過 6000 bps。若信號包含八個離散級數(shù)，則：最大數(shù)據(jù)傳輸速率= 2 3K log28 bps = 6K 3 bps = 18K bps。尼奎斯特定理用于計算理想信道（無噪音信道）的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。最大數(shù)據(jù)傳輸速率 = 2H log2V bpsH：信道帶寬，V：信號有效離散

6、級數(shù)數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ) 香農(nóng)公式在實際情況下，由于信噪比的值太大，通常用分貝（decibel，dB）來描述。分貝值與信噪比有如下的關(guān)系：dB = 10 log10 S/N在一條帶寬為3000Hz、信噪比為30dB的信道中，信道上的最大傳輸率不超過 30Kbps。其計算過程如下：先求出信噪比S/N：由 30=10 log10 S/N，得 log10 S/N = 3，所以S/N=103=1000。最大傳輸率= H log2（1S/N）bps = 3000 log2（11000）bps 30009.97 bps =299100 bps =0位 16位 8位ACIFC開始標(biāo)志地址位控制位信息位校驗位結(jié)束

7、標(biāo)志物理層編碼違例同步控制適用于那些在物理介質(zhì)的編碼策略中采用冗余技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)。以特殊的非數(shù)據(jù)信號表示幀的開始和結(jié)束。例如使用差分曼徹斯特編碼的令牌環(huán)網(wǎng)。交換技術(shù)電路交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)電路交換方式就是在兩個站點之間建立一條專用的通信通路。優(yōu)點是傳輸迅速、延遲穩(wěn)定并且保持發(fā)送時的傳輸次序。缺點是線路利用率低。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換不需要建立起物理的接續(xù)通路，而是以接力方式，數(shù)據(jù)報根據(jù)報頭信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間逐段傳送，直到目的節(jié)點。優(yōu)點是線路利用率高。相對電路交換，傳輸速率低，延遲不穩(wěn)定，而且不一定能保持發(fā)送時的次序?？辗纸粨Q與時分交換空分交換就是不同信號通路之間從物理上被分隔開（空間分隔）的交換。時分交換實際上是

8、時分多路復(fù)用（TDM）技術(shù)在交換系統(tǒng)的應(yīng)用。報文交換與分組交換報文交換中，報文完整地在網(wǎng)絡(luò)中逐個節(jié)點地向前傳送。報文越大傳輸延遲越大，并且出錯重傳的代價越大。分組交換中，發(fā)送節(jié)點將大的報文分割為若干個小的分組，再進行傳輸，接收方最后再重組報文。與報文交換相比，分組交換的傳輸延遲相對較小，出錯重傳的代價相對較低。與報文交換相比，分組交換增加了傳輸?shù)拈_銷。虛電路交換與數(shù)字報交換在數(shù)據(jù)報交換中，每個分組被獨立處理。分組到達目的地的順序可能和發(fā)送的順序不一致，目的節(jié)點必須對收到的分組重新排序以恢復(fù)原來的信息。難以進行流量控制和差錯控制，因此傳輸?shù)目煽啃韵鄬^低。虛電路通信之前，要在發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點之

9、間建立一條邏輯的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)信道。該信道是通過各中間節(jié)點交換機的路由表映射功能實現(xiàn)的，因此又稱為虛電路。與數(shù)據(jù)報交換相比，雖然增加了虛電路管理方面的工作，但每個分組無需單獨進行路由計算，可以減少中間節(jié)點的處理時間。另外，虛電路交換方式能更方便地實現(xiàn)流量控制和差錯控制。交換虛電路與永久虛電路虛電路可以是暫時的，即會話開始建立，會話結(jié)束拆除，這叫做交換虛電路（SVC，Switched Virtual Circuit），或呼叫虛電路。在某些情況下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對信息流量的控制較好且不擁擠時，可考慮采用永久虛電路（PVC，Permanent Virtual Circuit）。永久虛電路即通信雙方不管是否在通

10、信，都永遠(yuǎn)存在一條虛電路，這種虛電路省去了虛呼叫和虛拆除的過程。幾種交換方式的比較方式特性方式特性電路交換電路交換報文交換報文交換數(shù)據(jù)報分組交換數(shù)據(jù)報分組交換虛電路分組交換虛電路分組交換傳輸通路性質(zhì)物理的邏輯的邏輯的邏輯的通路的可用性專用的共享的共享的共享的數(shù)據(jù)傳輸單元報文報文分組分組通路建立要求呼叫建立不要求建立不要求建立要求呼叫建立通路的維持通信期間維持不維持不維持通信期間維持節(jié)點存儲不要求存儲一個報文存儲一個分組存儲一個分組節(jié)點時延幾乎無時延報文存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延過荷適應(yīng)性有呼叫阻塞增加報文時延增加分組時延有呼叫阻塞而且增加分組時延鏈路帶寬利用固定帶寬占用動態(tài)使

11、用動態(tài)使用動態(tài)使用流量控制流量控制技術(shù)是用來限制發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)流量，使其發(fā)送速率不要超過接收方的接收處理速率，以免“淹沒”接收方的一種技術(shù)。流量控制方案的基本原理都是相同的，比如限制發(fā)送方何時發(fā)送下一數(shù)據(jù)，在未獲得接收方允許前，禁止發(fā)送數(shù)據(jù)等。通常，接收方都會維護一個一定大小的緩沖區(qū)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時，接收方一般先把數(shù)據(jù)緩存起來，然后進行處理，處理完后清除緩沖區(qū)，開始接收下一批數(shù)據(jù)。常見的流量控制協(xié)議有停等協(xié)議和滑動窗口協(xié)議。停等協(xié)議在傳輸延遲比較大時，顯得性能比較低。采用滑動窗口協(xié)議可以在保證接收方不被“淹沒”的前提下，盡可能提高傳輸?shù)男省；瑒哟翱趨f(xié)議滑動窗口協(xié)議與停等協(xié)議的不同是它允許連

12、續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀而無需等待應(yīng)答。其實現(xiàn)原理是：對所有數(shù)據(jù)幀按順序賦予編號，發(fā)送方在發(fā)送過程中始終保持著一個發(fā)送窗口，只有落在發(fā)送窗口內(nèi)的幀才允許被發(fā)送；同時接收方也維持著一個接收窗口，只有落在接收窗口內(nèi)的幀才允許接收。通過調(diào)整發(fā)送方窗口和接收方窗口的大小可以實現(xiàn)流量控制，就象通過閥門控制水流速度一樣。差錯控制奇偶校驗碼奇偶檢驗通過增加一位校驗位來使編碼中1的個數(shù)為奇數(shù)（奇校驗）或者為偶數(shù)（偶校驗）。這種方法簡單實用，但只能檢查出奇數(shù)個錯誤。偶校驗奇校驗信息字段00010100111000011010101001110010001101101001110011010010信息字段00010101

13、111000001010101101110011001101111001110111010011海明碼海明距離一個編碼系統(tǒng)中任意兩個合法編碼（碼字）之間不同的二進數(shù)位（bit）的個數(shù)叫這兩個碼字的海明距離（Hamming Distance），也叫做碼距。例如，ASCII碼中“1”的碼字為，“2”的碼字為，“3”的碼字為，則“1”與“2”之間的海明距離為2，“1”與“3”之間的海明距離為1，“2”與“3”之間的海明距離為1。整個編碼系統(tǒng)中任意兩個碼字的最小距離就是該編碼系統(tǒng)的海明距離。以ASCII碼為例，雖然“1”與“2”之間的海明距離為2，但“1”與“3”之間的海明距離為1，按最小距離取值，得

14、知ASCII碼的海明距離為1。海明碼海明距離的糾錯原理若海明距離d為奇數(shù)，如果傳輸中發(fā)生錯誤，只要每個編碼的錯誤位數(shù)不超過d，則必定不是個有效的編碼，接收方就可以將其識別出來。因此對于編碼系統(tǒng)來說，d位的海明距離則可以發(fā)現(xiàn)（d-1）位錯。ASCII碼的海明距離為1，意味著ASCII碼不具備發(fā)現(xiàn)錯誤的能力。當(dāng)編碼發(fā)生錯誤時，接收方可以對編碼系統(tǒng)進行對比，尋找與錯誤編碼最貼近（海明距離最小）的一個編碼，只要編碼中的錯誤位數(shù)不超過abs(d-1)/2)時（abs為取絕對值函數(shù)），與錯誤編碼最貼近的那個編碼就是錯誤編碼對應(yīng)的原始編碼。這就是海明距離的糾錯原理。海明碼海明碼的糾錯能力海明碼將信息用邏輯形

15、式編碼，在m個數(shù)據(jù)位之間插入r個校驗位，每一個校驗位被編在傳輸碼字的特定位置上，全部傳輸碼字由原來的信息和附加的校驗位組成。海明碼要采用這種碼字能夠糾正所有的單個錯誤。如果一個幀包含m個數(shù)據(jù)位和r個校驗位，則幀的總長度n=m+r。在編碼系統(tǒng)中總共有2n個碼字，其中有效碼字只有2m個。要保證有效報文各對應(yīng)n個無效的碼字，它們與該報文的距離為1。這些無效的碼字可以由有效碼字的n位逐位分別取反所得到的，從而每個有效的碼字都應(yīng)該對應(yīng)有n+1個碼字（n個無效碼字+1個有效碼字）。為了使編碼系統(tǒng)能夠糾正單個錯誤，必須有2n(n+1）2m。由n=m+r可以得出校驗位數(shù)目必須滿足2r (m+r+1)。海明碼海

16、明碼的編碼規(guī)則設(shè)r個校驗位為PrPr-1P1，m個數(shù)據(jù)位為DmDm-1D1，海明碼為Hr+mHr+m-1H1，則有：Pi在海明碼的第2i-1位置，也即Hj=Pi，j=2i-1，數(shù)據(jù)位則依序從低到高占據(jù)海明碼中剩下的位置。例如，對于8位數(shù)據(jù)位進行海明校驗，根據(jù)公式需要4位校驗位。海明碼的生成方法如下表所示，其中，檢驗位在表格中用藍(lán)色背景標(biāo)示。H12H11H10H9H8H7H6H5H4H3H2H1D8D7D6D5P4D4D3D2P3D3P2P1海明碼海明碼的校驗關(guān)系海明碼下標(biāo)對應(yīng)關(guān)系P4P3P2P1校驗位組H1（P1）10 0 0 1P1H2（P2）20 0 1 0P2H3（D1）3=1+20 0

17、 1 1P1，P2H4（P3）40 1 0 0P3H5（D2）5=1+40 1 0 1P1，P3H6（D3）6=2+40 1 1 0P2，P3H7（D4）7=1+2+40 1 1 1P1，P2，P3H8（P4）81 0 0 0P4H9（D5）9=1+81 0 0 1P1，P4H10（D6）10=2+81 0 1 0P2，P4H11（D7）11=1+2+81 0 1 1P1，P2，P4H12（D8）12=4+81 1 0 0P3， P4海明碼海明碼的校驗公式754211DDDDDP764312DDDDDP84323DDDDP87654DDDDP海明碼海明碼的糾錯過程按照海明碼的原理，當(dāng)碼字中出現(xiàn)

18、一位錯誤時，海明碼能夠進行識別和糾錯。海明碼的糾錯也需要計算檢驗4個公式，如果發(fā)現(xiàn)有一個公式的計算結(jié)果不為0，則說明該公式中的某一個位存在錯誤；如果計算結(jié)果為0，則說明該公式內(nèi)的位沒有錯誤。找到一個位，它存在于每個計算結(jié)果為的公式，但又不存在于每個計算結(jié)果為0的公式，將該位反向，就完成了糾錯過程。CRC碼生成多項式CRC（Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余碼）又稱為多項式碼（Polynomial Code），它是一種基于模2運算的校驗碼，其檢錯能力非常強，并且容易采用硬件電路實現(xiàn)。CRC編碼的基本思想將位串看成系數(shù)為0或1的多項式。一個n位的幀被看成是n-1次多項式的系數(shù)列

19、表。最左邊是xn-1項的系數(shù)，接著是xn-2項的系數(shù)，依此類推，直到X0項的系數(shù)。例如：多項式x4+x+1相當(dāng)于1*x4+0*x3+0*x2+1*x1+1* x0，因此其對應(yīng)的二進制串為10011。CRC碼計算方法CRC 編碼通過模2運算來建立有效信息和校驗位之間的約定關(guān)系。模2運算相當(dāng)于異或運算。計算CRC編碼前，發(fā)送方和接收方必須事先約定一個生成多項式G(x)，生成多項式的最高位和最低位都是1。例如：x4+x+1是一個4階的生成多項式。CRC算法的思路是將校驗和加在被校驗數(shù)據(jù)幀的末尾，使得這個帶校驗和的幀的對應(yīng)多項式M(x)可以被生成多項式G(x)除盡。接收方收到這個帶校驗和的幀后，如果發(fā)

20、覺無法被G(x)除盡，則說明數(shù)據(jù)出錯。CRC碼示例計算得到CRC 校驗碼為0100。CRC碼校驗?zāi)芰χ饕腃RC生成多項式有：CRC-12： G(x)=x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1CRC-16： G(x)=x16 + x15 + x2 + 1CRC-CCITT： G(x)=x16 + x12 + x5 + 1CRC-32：G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1CRC的檢錯能力很強，以CRC-16或CRC-CCITT為例，它可以捕捉到所有的單位錯誤和雙位錯誤、所有的奇數(shù)位數(shù)的差錯、所有長度小于或等于

21、16位的突發(fā)差錯、的長度為17位的突發(fā)錯誤以及的長度為18位或多于18位的突發(fā)錯誤。差錯控制ARQ（Automatic Repeat Request，自動請求重發(fā)方式）ARQ的工作原理是：發(fā)送方對所發(fā)送的序列進行差錯編碼，接收方根據(jù)檢驗序列的編碼規(guī)則判斷有無錯誤。若發(fā)現(xiàn)錯誤，則利用反向信道要求發(fā)送方重發(fā)出錯的信息，直至接收方檢驗無誤為止，從而達到糾正差錯的目的。常用的三種形式的ARQ協(xié)議分別為停等ARQ協(xié)議，后退N幀ARQ協(xié)議和選擇重傳ARQ協(xié)議。差錯控制FEC（Forward Error Correct，前向糾錯方式）FEC的工作原理是：發(fā)送方將信息編成具有檢錯和糾錯能力的碼字并發(fā)送出去，接收方對收到的碼字進行譯碼，譯碼時不但能發(fā)現(xiàn)錯誤，而且可以自動進行錯誤糾正。FEC不需要反饋通道，特別適合只能提供單向信道的場合，特點是時延小，實時性好，但系統(tǒng)復(fù)雜。差錯控制 HEC（Hybrid Error Correct，混合糾錯方式）HEC工作原理是：發(fā)送方發(fā)送具有一定糾錯能力的碼字，接收方對所收到的數(shù)據(jù)進行檢測。若發(fā)現(xiàn)錯誤，就對少量的、能糾正的錯誤進行糾正，而對于超過糾錯能力差錯通過反饋重發(fā)方式予以糾正。HEC在某種程度上彌補了反饋重發(fā)和前向糾錯的缺點。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中繼器中繼器(Repeater)最簡單的互連設(shè)備。它工作在OSI模型的物理層，用于擴展LAN網(wǎng)段的長度，延伸