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网络工程师笔记
第一章数据通信基础
一、基本概念
码元速率:
单位时间内通过信道传送的码元个数,如果信道带宽为T秒,则码元速率。
若无噪声的信道带宽为W,码元携带的信息量n与码元种类N关系为,则极限数据速率为
有噪声的极限数据速率为
其中W为带宽,S为信号平均功率,N为噪声平均功率,为信噪比
电波在电缆中的传播速度为真空中速率的2/3左右,即20万千米/秒
编码:
单极性码:
只有一个极性,正电平为0,零电平为1;
级性码:
正电平为0,负电平为1;
双极性码:
零电平为0,正负电平交替翻转表示1。
这种编码不能定时,需要引入时钟
归零码:
码元中间信号回归到零电平,正电平到零电平转换边为0,负电平到零电平的转换边为1。
这种码元自定时
不归零码:
码元中间信号不归零,1表示电平翻转,0不翻转。
双相码:
低到高表示0,高到底表示1。
这种编码抗干扰性好,实现自同步。
曼彻斯特码:
低到高表示0,高到底表示1。
相反亦可。
码元中间电平转换既表示数据,又做定时信号。
用于以太网编码,编码效率为50%
差分曼彻斯特码:
每一位开始处是否有电平翻转,有电平翻转表示0,无电平翻转表示1。
中间的电平转换作为定时信号。
用于令牌环网,编码效率为50%。
ASK、FSK和PSK码元种类为2,比特位为1。
DPSK和QPSK码元种类为4,比特位为2。
QAM码元种类为16。
一路信号进行FSK调制时,若载波频率为fc,调制后的信号频率分别为f1和f2(f1 编码技术: 常用编码技术为脉冲编码调制技术。 需要经过取样、量化和编码3个步骤。 在数字系统中,将数字信号转换成模拟信号成为调制;将模拟信号转换为数字信号成为解调。 尼奎斯特采样定理: 采样速率大于模拟信号最高频率的2倍。 复用技术: 例: 10个9.6Kbps的信道按照统计时分多路复用在一条线路上传输,假定信道只有30%时间忙,复用线路开销为10%,则带宽为: 频分多路复用FDM,时分多路复用TDM,波分多路复用WDM,码分多路复用(CDM) T1采用时分复用技术,将24条话音数据复用在一条高速信道上,其速率为1.544Mbps,单个信道数据速率为56KB/s T2=4T1T3=7T2T4=6T3 E1采用同步时分复用技术将30个语音信道,2个控制信道(ch0作为帧同步,ch16传送信令)复合在一条高速信道上,其速率为2.048Mbps,每条话音信道速率为64Kb/s OC-1速率为51.84Mb/s。 第三代通信技术: TD-SCDMA(中国),WCDMA(欧洲),CDMA2000(美国),WiMAX,其中TD-SCDMA属于时分双工模式,WCDMA和CDMA2000属于频分双工模式。 奇偶校验码添加1位校验码,其码距变为2。 海明码: 利用奇偶性来检错和校验的方法。 假设有m位信息码,加入k位校验码,则满足 一个码组内有e个误码,则最小码距 一个码组能够纠正n个误码,则最小码距 例: 求信息1011的海明码 解: 由求得k=3,即校验码为3位 r3 r2 r1 0 0 0 a1 0 0 1 a2 0 1 0 a3 0 1 1 a4 1 0 0 a5 1 0 1 a6 1 1 0 a7 1 1 1 校验码放在位上 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 位数 1 0 1 1 信息位 r3 r2 r1 校验位 由上图得到监督关系式 r3=a5+a6+a7 r2=a3+a6+a7 异或预算 1+1=01+0=1 0+0=00+1=1 偶数个1异或为0 奇数个1异或为1 r1=a3+a5+a7 将表中数值带入经异或运算得: r3=a5+a6+a7=1+0+1=0 r2=a3+a6+a7=1+0+1=0 r1=a3+a5+a7=1+1+1=1 由此求得校验码为001,填入表中得到海明码为1010101 第二章局域网技术 一、预备知识 10BaseT含义: 10表示传输速率为10M(100M、1000M、10G) Base表示传输机制为基带(宽带Broad) T: 代表传输介质为非屏蔽双绞线 C: 为屏蔽双绞线 数字: 为同轴电缆及电缆长度(10base5,10base2) F为光纤 Lx为长波长(1300nm、1310nm、1550nm) Sx为短波长(850nm) 综合布线测试参数: 双绞线: 最大衰减值回波耗损限值近端串扰衰减值开路/短路是否错对 光纤: 最大衰减值回波耗损限值波长窗口参数时延长度 光纤分类: 单模光纤: 纤芯直径为,包层125um,采用激光光源,工作波长为1310nm或1550nm,传输距离长(20千米),容量大,带宽宽。 多模光纤: 纤芯直径为和,包层125um,采用LED光源,工作波长为850nm或1300nm,传输距离短(500米),容量小,带宽窄。 电磁波在铜缆中传输速率约为真空中的,即200000Km/s RS232C用于连接DTE和DCE设备,采用25芯D型连接器,微型机上一般采用9芯。 -3v~-15v表示1,3v~15v表示0。 采用V.24标准。 电缆长度一般不超过15m 二、局域网 2.1拓扑结构 总线拓扑: 采用主线传输作为公共传输媒体,网络中所有设备通过相应接口和电缆连接到这根总线。 可采用令牌传递和CSMA/CD介质访问控制方法。 环形拓扑: 由一系列首尾相连的中继器组成。 使用令牌传递来实现介质的访问。 轻负载时效率低,重负载时利用率高 星型拓扑: 以中央节点为中心,把若干外围节点连接在一起的网络结构, 2.2IEEE802标准 IEEE802.1d生成树协议 IEEE802.1q虚拟局域网 IEEE802.1A局域网体系结构 IEEE802.2逻辑链路控制协议 IEEE802.3CSMA/CD与物理层规范 IEEE802.3u快速以太网 IEEE802.3z千兆以太网 IEEE802.3ae万兆以太网 IEEE802.4令牌总线标准takenbus IEEE802.5令牌环标准takenring IEEE802.10局域网安全机制 IEEE802.11无线局域网标准 2.3数据链路层分为两个子层: 目的是将与硬件相关和与硬件无关的部分分开。 逻辑链路控制子层(LLC): 目的是屏蔽不同子层的访问控制方法,向高层提供统一的服务和接口。 LLC帧结构如下图: DSAP(8位) SSAP(8位) AC(8位或16位) DATA DSAP第1位为地址标识,后7位表示端口号。 SSAP第1位为命令或响应标识。 广播地址用I/G=1表示 LLC地址作为LLC层的服务访问点,一个上层协议进程可以有多个服务访问点。 LLC协议与HDLC协议兼容。 主要提供如下3种服务: A、无确认无连接的服务,不提供流控与差错控制,由高层软件完成。 B、面向连接方式服务,提供流控和差错控制,需要建立连接。 C、有确认无连接,提供有确认的数据报,但不建立连接。 介质访问控制(MAC): 局域网中,所有设备共享传输介质,需要一种方法有效的分配传输介质使用权。 根据控制方式不同分为同步和异步 同步传输: 顺序连续传输,在传输前进行同步,然后传输双方以相同频率工作,适用于短距离高速数据传输 异步传输: 各个字符分开传输,字符间插入起始位和终止位的同步信息,通常还需加入校验信息,适合长距离传输。 异步分配方法分为循环(令牌、FDDI)、预约(IEEE802.6定义的DQDB)和竞争(CSMA/CD) 2.4IEEE802.3标准(CSMA/CD协议) CSMA/CD协议在发送数据前,先监听信道上是否有载波信号,有则说明信道忙,否则信道空闲,按照预定策略决定: 2.4.1监听算法有3种: (轻负载时效率较高) A、非坚持型监听算法: 当一个站准备好数据帧,发送前先监听信道,如果信道空闲则立即发送 (1),否则后退一个随机时间,在重复 (1)。 该方法信道利用率低,增加了发送时延,减小了冲突概率。 B、1-坚持型监听算法: 当一个站准备好数据帧,发送前先监听信道,如果信道空闲则立即发送,如果信道忙则继续监听,直到信道空闲后再发送。 该方法有利于抢占信道,减少信道空闲时间,但增加了冲突概率 C、P-坚持型监听算法: 如果信道空闲则以P概率发送,以(1-P)概率延迟一个时间单位 (1)(一个时间单位等于网络传输时延),如果信道忙则继续监听,直到信道空闲转到 (1),如果发送延迟一个时间单位,则重复 (1)。 该方法吸取上述两种算法的优点。 2.4.2冲突检测 载波监听只能减小冲突概率,不能完全避免冲突。 为充分利用带宽应采取边发送边监听的冲突检测方法: (1)发送期间同时接收,并把数据与站中存储的数据进行比较; (2)如果结果一致,则说明没有冲突,重复 (1) (3)如果结果不一致,则说明发生冲突,此时立即停止发送,并发送一个干扰信号Jamming,使所有站停止发送,并等待一个随机的时间,重新监听,并试着发送。 2.4.3二进制指数退避算法 按照该算法,后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数关系。 随着n的增减后退时延取值按2的指数增大。 为避免无限制的重发,对重传次数n进行限制。 一般n=16时停止发送,丢弃该帧,并向上层报告。 该算法把后退时延的平均值与负载大小联系起来,因此二进制指数退避算法能够解决在重负载下有效分解冲突的问题 2.4.4CSMA/CD协议实现 对于基带和宽带总线来说,CSMA/CD协议的实现方法基本相同,但也有差别: 差别一: (载波监听)基带系统是通过检测电压序列来实现载波监听,而宽带系统是监听站接受RF载波(射频)来判断信道是否空闲。 差别二: (冲突检测)基带系统是把直流电压加到信号上来检测冲突;宽带系统有两种方法来检测冲突: (1)把接收数据与发送数据逐位比对; (2)分裂配置,在端头检测是否有破坏的数据,这种数据的频率与正常的数据频率不同。 CSMA/CD协议的载波监听、冲突检测、冲突强化、二进制指数后退等功能均由硬件来实现,这些硬逻辑包含在网卡中。 网卡中的主要器件是以太数据链路控制器。 在IEEE802.3中使用1-坚持型监听算法,这个算法有利于抢占信道,减少空闲,同时实现简单,在监听到网络空闲后,不立即发送而是等待一个最小帧间间隔(规定为9.6us)时间,只有在这期间网络空闲才能开始发送。 在发送过程中继续监听,如果冲突,则发送55555555这是规定的阻塞信号。 接受站要对接受到的数据进进行校验,除了CRC校验,还要检查帧长度,如果小于最小帧长(64字节)则认为是碎片。 线路利用率: 其中 a(Rd乘积)越大,线路的利用率越低 传播时延,信号在线路上传播的时间; 传输时延,数据帧加载到线路上所需时间; d为线缆长度v为信号传播速率;L为帧长R为数据速率 2.5以太网帧结构: 7 1 2/6 2/6 2 46-1500 0-46 4 P SPD DA SA L DATA PAD FCS P为前导码,长度7个字节,1010..1010,用于使接收端进入同步状态 SPD帧起始符,占1位,10101011,标识信息帧开始。 DA/SA(目的/源地址)占2个或6个字节。 L数据字段长度,占2个字节,表示DATA字段长度及上层协议,OX080
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