2011年軟件水平考試網絡工程師全面復習資料
四.數據通訊基本概念
數據(Data)：傳遞(攜帶)信息的實體。
信息(Information)：是數據的內容或解釋。
信號(Signal)：數據的物理量編碼(通常為電編碼)，數據以信號的形式傳播。
模擬信號與數字信號
基帶(Base band)與寬帶(Broad band)
信道(Channel)：傳送信息的線路(或通路)
比特(bit)：信息量的單位。比特率為每秒傳輸的二進制位個數。
碼元(Code Cell)：時間軸上的一個信號編碼單元
同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元的開始。同步脈沖也可位于碼元的中部，一個碼元也可有多個同步脈沖相對應。
波特(Baud)：碼元傳輸的速率單位。波特率為每秒傳送的碼元數(即信號傳送速率)。 1 Baud = log2M (bit/s) 其中M是信號的編碼級數。也可以寫成:Rbit = Rbaud log2M 上式中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率。一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特。例如，M=16，波特率為9600時，數據傳輸率為38.4kbit/s
誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是概率值信息編碼：將信息用二進制數表示的方法。數據編碼：將數據用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII編碼(是信息編碼的一種)為01000001
帶寬:帶寬是通信信道的寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質傳輸能力的度量，在傳統的通信工程中通常以赫茲(Hz)為單位計量。在計算機網絡中，一般使用每秒位數(b/s 或bps) 作為帶寬的計量單位。主要單位：Kb/s，Mb/s，Gb/s，一個以太局域網理論上每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬相應為10Mb/s。
時延 △信息從網絡的一端傳送到另一端所需的時間 △時延之和=處理時延+排隊時延 +發送時延+傳播時延 △處理時延=分組首部和錯誤校驗等處理(微秒) △排隊時延=數據在中間結點等待轉發的延遲時間 △發送時延=數據位數/信道帶寬 △傳播時延=d/s(毫秒)d:距離 s:傳播速度≈光速
時延帶寬乘積：某一鏈路所能容納的比特數。時延帶寬乘積=帶寬×傳播時延。例如，某鏈路的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著***個比特到達目的端時，源端已發送了100萬比特。
往返時延 (Round-Trip Time ，RTT) 從信源發送數據開始，到信源收到信宿確認所經歷的時間RTT≈2×傳播時延，傳輸可靠性兩個含義： 1、數據能正確送達 2、數據能有序送達(當采用分組交換時)
信息通信系統傳輸
1、信道及其主要特征：數字信道和模擬信道
數字信道：以數字脈沖形式(離散信號)傳輸數據的信道。
模擬信道：以連續模擬信號形式傳輸數據的信道。模擬信號和數字信號
模擬信號：時間上連續，包含無窮多個信號值
數字信號：時間上離散，僅包含有限數目的信號值周期信號和非周期信號
周期信號：信號由不斷重復的固定模式組成(如正弦波)
非周期信號：信號沒有固定的模式和波形循環(如語音的音波信號)。
2、數字數據的傳輸方式
基帶傳輸：不需調制，編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送。例如：以太網
寬帶傳輸：數字信號需調制成頻帶模擬信號后再傳送，接收方需要解調。例如：通過電話模擬信道傳輸。例如：閉路電視的信號傳輸。
3、數據同步方式：目的是使接收端與發送端在時間基準上一致 (包括開始時間、位邊界、重復頻率等)。有三種同步方法：位同步、字符同步、幀同步。
位同步 目的是使接收端接收的每一位信息都與發送端保持同步，有下面兩種方式： △外同步——發送端發送數據時同時發送同步時鐘信號，接收方用同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。 △自同步——通過特殊編碼(如曼徹斯特編碼)，這些數據編碼信號包含了同步信號，接收方從中提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。
字符同步 以字符為邊界實現字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個字符的傳輸需要：1個起始位、5～8個數據位、1，1.5，2個停止位。
字符同步的性能評估： △頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新同步。 △每兩個字符之間的間隔時間不固定。 △增加了輔助位，所以效率低。例如，采用1個起始位、 8個數據位、 2個停止位時，其效率為8/11<72%。
幀同步 識別一個幀的起始和結束。 △幀(Frame)數據鏈路中的傳輸單位——包含數據和控制信息的數據塊。 △面向字符的——以同步字符(SYN，16H)來標識一個幀的開始，適用于數據為字符類型的幀。 △面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)來標識一個幀的開始，適用于任意數據類型的幀。
4、信道最大數據傳輸率
奈奎斯公式：用于理想低通信道 C = 2W×log2 M C = 數據傳輸率，單位bit/s W = 帶寬，單位Hz M = 信號編碼級數奈奎斯公式為估算已知帶寬信道的最高數據傳輸速率提供了依據。
非理想信道：實際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引起信號強度減弱，導致信噪比S/N降低。延遲會使接收端的信號產生畸變。噪聲會破壞信號，產生誤碼。持續時間0.01s的干擾會破壞約560個比特(56Kbit/s) △香農公式：有限帶寬高斯噪聲干擾信道 C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比例：信道帶寬W=3.1KHz，S/N=2000，則 C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s 即該信道上的最大數據傳輸率不會大于34Kbit/s
奈奎斯公式和香農公式的比較 △C = 2W log2M 數據傳輸率C隨信號編碼級數增加而增加。 △C = W log2(1+S/N) 無論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了信道能達到的最高傳輸速率。原因：噪聲的存在將使編碼級數不可能無限增加。 5、數據編碼
編碼與調制的區別 △用數字信號承載數字或模擬數據——編碼 △用模擬信號承載數字或模擬數據——調制
數字數據的數字信號編碼：把數字數據轉換成某種數字脈沖信號常見的有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼。 △不歸零碼(NRZ，Non-Return to Zero)二進制數字0、1分別用兩種電平來表示，常常用-5V表示1，+5V表示0。缺點：存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器;不具備自同步機制，傳輸時必須使用外同步。 △曼徹斯特編碼(Manchester Code)用電壓的變化表示0和1，規定在每個碼元的中間發生跳變：高→低的跳變代表0，低→高的跳變代表1。每個碼元中間都要發生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號。這種編碼也稱為自同步碼(Self-Synchronizing Code)。缺點：需要雙倍的傳輸帶寬(即信號速率是數據速率的2倍)。 △差分曼徹斯特編碼(Differential ～)每個碼元的中間仍要發生跳變，用碼元開始處有無跳變來表示0和1 ，有跳變代表0，無跳變代表1。
數字數據的調制編碼[三種常用的調制技術]： △幅移鍵控ASK (Amplitude Shift Keying) △頻移鍵控FSK (Frequency Shift Keying) △相移鍵控PSK (Phase Shift Keying) 基本原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。載波 S(t) = Acos(ωt+ψ) S(t)的參量包括： 幅度A、頻率ω、初相位ψ，調制就是要使A、ω或ψ隨數字基帶信號的變化而變化。 △ASK：用載波的兩個不同振幅表示0和1。 △FSK：用載波的兩個不同頻率表示0和1。 △PSK：用載波的起始相位的變化表示0 和1。
模擬數據的數字信號編碼采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。要轉換的模擬數據主要是電話語音信號，語音信號要在數字線路上傳輸，必須將語音信號轉換成數字信號。這需要經過三個步驟： △采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣 △量化：對每個樣本舍入到量化級別上 △編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號
6、多路復用技術復用：多個信息源共享一個公共信道。為何要復用?——提高線路利用率。適用場合：當信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時。復用類型 △頻分復用FDM (Frequency Division Multiplexing) △波分復用WDM (Wave Division Multiplexing) △時分復用TDM (Time Division Multiplexing)
頻分復用原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通道之間留有防護頻帶以防相互干擾。
波分復用——光的頻分復用。原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。
時分復用原理：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個時隙，每路數據占用一個時隙進行傳輸。由于每路數據總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復用也稱為同步時分復用。時分復用的典型例子：PCM信號的傳輸，把多個話路的PCM話音數據用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)，每幀在一個時間片內發送，每個時隙承載一路PCM信號。
統計(異步)TDM——STDM TDM的缺點：某用戶無數據發送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成帶寬浪費。改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數據放入。
7、差錯控制與語音、圖像傳輸不同，計算機通信要求極低的差錯率。產生差錯的原因： △信號衰減和熱噪聲 △信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變; △信號反射，串擾; △沖擊噪聲，閃電、大功率電機的啟停等。差錯控制的基本方法是：接收方進行差錯檢測，并向發送方應答，告知是否正確接收。
差錯檢測主要有兩種方法：
奇偶校驗(Parity Checking)在原始數據字節的最高位增加一個奇偶校驗位，使結果中1的個數為奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。例如1100010增加偶校驗位后為11100010，若接收方收到的字節奇偶校驗結果不正確，就可以知道傳輸中發生了錯誤。此方法只能用于面向字符的通信協議中，只能檢測出奇數個比特位錯。
循環冗余校驗 (CRC, Cyclic Redundancy Check) 差錯檢測原理：將傳輸的位串看成系數為0或1的多項式。收發雙方約定一個生成多項式G(x)，發送方在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項式，若有余數，則傳輸有錯。校驗和是16位或32位的位串，CRC校驗的關鍵是如何計算校驗和。
差錯控制技術 △自動請求重傳Automatic Repeat Request (ARQ) △停等 ARQ △Go-back-N ARQ △選擇重傳 ARQ
附:
一.數據通信中的主要技術指標
數據通信的任務是傳輸數據信息,希望達到傳輸速度快、出錯率低、信息量大、可靠性高,并且既經濟又便于使用維護。這些要求可以用下列技術指標加以描述。
1.數據傳輸速率 所謂數據傳輸速率,是指每秒能傳輸的二進制信息位數,單位為位/秒(bits per sec-ond),記作bps或b/s,它可由下式確定: s=1/T?log2N (bps) 式中T為一個數字脈沖信號的寬度(全寬碼情況)或重復周期(歸零碼情況),單位為秒。一個數字脈沖也稱為一個碼元,N為一個碼元所取的有效離散值個數,也稱調制電平數,N一般取2的整數次方值。若一個碼元僅可取0和1兩種離散值,則該碼元只能攜帶一位(bit)二進制信息;若一個碼元可取00、01、10和11四種離散值,則該碼元就能攜帶兩位二進制信息。以此類推,若一個碼元可取N種離散值,則該碼元便能攜帶log2N位二進制信息。 當一個碼元僅取兩種離散值時,S =(1/T),表示數據傳輸速率等于碼元脈沖的重復頻率。由此,可以引出另一個技術指標一一'信號傳輸速率,也稱碼元速率、調制速率或波特率,單位為波特(Baud)。信號傳輸速率表示單位時間內通過信道傳輸的碼元個數,也就是信號經調制后的傳輸速率。若信號碼元的寬度為T秒,則碼元速率定義為: B=1/T (Baud) 在有些調幅和調頻方式的調制解調器中,一個碼元對應于一位二進制信息,即一個碼元;,有兩種有效離散值,此時調制速率和數據傳輸速率相等。但在調相的四相信號方式中,一個碼元對應于兩位二進制信息,即一個碼元有四種有效離散值,此時調制速率只是數據傳輸速率的一半。由以上兩式合并可得到調制速率和數據傳輸速率的對應關系式: S =B ?log2N (bps) 或B =S/log2N(Baud) 一般在二元調制方式中,S和B都取同一值,習慣上二者是通用的。但在多元調制的情況下,必須將它們區別開來。例如采用四相調制方式,即N=4,且T=833×10-6秒,則可求出數據傳輸速率為: S=1/T?log2N=1/(833×10-6)?log24=2400 (bps) 而調制速率為： B=1/T=1/(833×10-6)=1200 (Baud) 通過上例可見,雖然數據傳輸速率和調制速率都是描述通信速度的指標,但它們是完全不同的兩個概念。打個比喻來說,假如調制速率是公路上單位時間經過的卡車數,那么數據傳輸速率便是單位時間里經過的卡車所裝運的貨物箱數。如果一車裝一箱貨物,則單位時間經過的卡車數與單位時間里卡車所裝運的貨物箱數相等,如果→車裝多箱貨物,則單位時間經過的卡車數便小于單位時間里卡車所裝運的貨物箱數。
2.信道容量 信道容量表征一個信道傳輸數據的能力,單位也用位/秒(bps)。信道容量與數據傳輸速率的區別在于,前者表示信道的最大數據傳輸速率,是信道傳輸數據能力的極限,而后者則表示實際的數據傳輸速率。這就像公路上的最大限速值與汽車實際速度之間的關系一樣,它們雖然采用相同的單位;但表征的是不同的含義。奈奎斯特(Nyquist)首先給出了無噪聲情況下碼元速率的極限值與信道帶寬的關系: B =2?H (Baud) 其中,H是信道的帶寬,也稱頻率范圍,即信道能傳輸的上、下限頻率的差值,單位為HZ。由此可推出表征信道數據傳輸能力的奈奎斯特公式: C =2?H?log2N (bpe) 此處,N仍然表示攜帶數據的碼元可能取的離散值的個數,C即是該信道最大的數據傳輸速率。 由以上兩式可見,對于特定的信道,其碼元速率不可能超過信道帶寬的兩倍,但若能提高每個碼元可能取的離散值的個數,則數據傳輸速率便可成倍提高。例如,普通電話線路的帶寬約為3KHz,則其碼元速率的極限值為6kBaud。若每個碼元可能取的離散值的個數為16(即N=16),則最大數據傳輸速率可達C=2×3k×log216=24k bps。 實際的信道總要受到各種噪聲的干擾,香農(Shannon)則進一步研究了受隨機噪聲干擾的信道的情況,給出了計算信道容量的香農舍式: C =H?log2(1+S/N) (bps) 其中,S表示信號功率,N為噪聲功率,S/N則為信噪比。由于實際使用的信道的信噪比都要足夠大,故常表示成10log10(S/N),以分貝(dB)為單位來計量,在使用時要特別注意。例如,信噪比為30dB,帶寬為3kHZ的信道的最大數據傳輸速率為: C=3k×log2(1+1030/10)=3k×log2(1+1001)=30kbps. 由此可見,只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大數據傳輸速率。 需要強調的是,上述兩個公式計算得到的只是信道數據傳輸速率的極限值,實際使用時必須留有充足的余地。
3.誤碼率 誤碼率是衡量數據通信系統在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標,它定義為二進制數據位傳輸時出錯的概率。設傳輸的二進制數據總數為N位,其中出錯的位數為風,則誤碼率表示為: Pe =Ne/N 計算機網絡中,一般要求誤碼率低于10-6,即平均每傳輸106位數據僅允許錯一位。可若誤碼率達不到這個指標,可以通過差錯控制方法進行檢錯和糾錯。
二.編碼技術
模擬信號：是指模擬數據在某個區間產生連續的值。例如，聲音和視頻就是強度 連續變化的信號。大多數用傳感器收集的數據，例如溫度和壓力都是連續值。
數字信號：是指數字數據產生離散的值。例如，文本信息和整數。
調制解調：當需要在只能傳輸模擬信號的線路上傳輸數據信號時(例如，通過一 條公用電話線將數據從一臺計算機傳輸到另一臺計算機)，在發送方，數據開始是數字數據，但是由于電話線只能傳輸模擬信號，所以數據必須進行數字到模擬的轉換。這個轉換過程就叫作調制。在接收方需要進行模擬到數字的轉換，使它還原為原來的數字數據這個過程叫作解調。整個從數字數據到模擬信號再到數字數據的過程稱作調制解調。
調制解調有三種基本形式：幅移鍵控法(AmplitudeShift Keying，ASK)、頻移鍵控法(Frequency Shift Keying，FSK)和相移鍵控法(PhaseShift Keying，PSK)。
不歸零(Non-Return to Zero，NRZ)編碼：在用數字信號傳輸數字數據時，信號的電平是根據它所代表的二進制數值決定的。一個正電壓值代表1，而一個負電壓值代表0，因而信號的電平依賴于它所代表的數值。
曼徹斯特編碼：在曼徹斯特編碼中，每個比特中間引入跳變來同時代表不同數值 和同步信息。一個負電平到正電平的跳變代表0，而一個正電平到負電平的跳變則代表1。通過這種跳變使曼徹斯特編碼獲得了同步信息和數字編碼。
差動曼徹斯特編碼：在差動曼徹斯特編碼中，用兩個比特之間的跳變來代表不同 的數值，在間隙中有跳變的代表0，沒有跳變的代表1。比特中間的跳變只用來表示同步信息，不同的數值通過在比特間隙是否跳變來表示。
三.數據傳輸技術
多路復用：在計算機網絡系統中，當傳輸介質的能力超過傳輸單一信號的情況時， 為了有效地利用傳輸系統，希望一個信道能夠同時傳輸多路信號。多路復用，就是把許多信號在單一的傳輸線路上進行傳輸。一般普遍使用三種多路復用技術，即頻分多路復用(FDM)、時分多路復用(TDM)和統計時分多路復用(STDM)。
同步傳輸：是使接收端接收的每一位數據信息都要和發送端準確地保持同步，中間沒有間斷，實現這種同步方法又有自同步法和外同步法。
異步傳輸：是基于字節的，每字節作為一個單位通過鏈路傳輸，因為沒有同步脈 沖，接收方不可能通過計時方式來預測下一個字節何時到達，因而在每個字節的開頭都要附加一個0，通常稱為起始位，在每個字節尾部還加上一個或多個1，被稱為停止位。 單工通信：是指在通信鏈路上的兩個站點，只能一個發送信息，另一個接收。
半雙工通信：在通信鏈路上的兩個站點都可以發送和接收信息，但是不能同時發 送和接收，當其中一個站點在發送信息時，另一個站點只能接收，反之亦然。
全雙工通信：在通信鏈路上的兩個站點可以同時發送和接收信息，即一個站點發 送信息的同時也能接收信息。
四.差錯控制方法
差錯的產生原因及其控制差錯控制是指在數據通信過程中能發現或糾正差錯,把差錯限制在盡可能小的允許范圍內的技術和方法。 信號在物理信道中傳輸時線路時，線路本身電氣特性造成的隨即噪聲、信號幅度的衰減、頻和相位的畸變、電氣信號在線路上產生反射造成的回音效應、相鄰線路間的串擾以及各種外界因素(如大氣中的閃電、開關的跳火、外界強電流磁場的變化、電源的波動等)都會造成信號的失真。在數據通信中,將會使接收端收到的二進制數位和發送端實際發送的二進制數位不一致,從而造成由"0"變成"1"或由"1"變成"0"的差錯。
一般來說,傳輸中的差錯都是由噪聲引起的。噪聲有兩大類,一類是信道固有的、持續存在的隨機熱噪聲;另一類是由外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲。 熱噪聲引起的差錯稱為隨機錯,所引起的某位碼元的差錯是孤立的,與前后碼元沒有關系。由于物理信道在設計時,總要保證達到相當大的信噪比,以盡可能減少熱噪聲的影響,因而由它導致的隨機錯通常較少。 沖擊噪聲呈突發狀,由其引起的差錯稱為突發錯。沖擊噪聲幅度可能相當大,無法靠提高信號幅度來避免沖擊噪聲造成的差錯,它是傳輸中產生差錯的主要原因。沖擊噪聲雖然持續時間很短,但在一定的數據速率條件下,仍然會影響到一串碼元。例如,一個沖擊噪聲(如一次電火花)持續時間為10ms,但對于4800bps的數據速率來說,就可能對連續48位數據造成影響,使它們發生差錯。從突發錯誤發生的***個碼元到有錯的最后一個碼元間所有碼元的個數,稱為該突發錯的突發長度。
數據通信中不加任何差錯控制措施,直接用信道來傳輸數據是不可靠的。最常用的差錯控制方法是差錯控制編碼。數據信息位在向信道發送之前,先按照某種關系附加上一定的冗余位,構成一個碼字后再發送,這個過程稱為差錯控制編碼過程。接收端收到該碼字后,檢查信息位和附加的冗余位之間的關系,以檢查傳輸過程中是否有差錯發生,這個過程稱為校驗過程。
利用差錯控制編碼來進行差錯控制的方法基本上有兩類,一類是自動請求重發ARQ(Automatic Repeat reQuest),另一類是前向糾錯FEC(FOIW盯d Eπor Correction)。在ARQ方式中,接收端檢測出有差錯時,就設法通知發送端重發,直到正確的碼字收到為止。在FEC方式中,接收端不但能發現差錯,而且能確定二進制碼元發生錯誤的位置,從而加以糾正。因此,差錯控制編碼又可分為檢錯碼和糾錯碼。檢錯碼是指能自動發現差錯的編碼,糾錯碼是指不僅能發現差錯而且能自動糾正差錯的編碼。 ARQ方式只使用檢錯碼,但必須有雙向信道才可能將差錯信息反饋至發送端。同時,發送方要設置數據緩沖區,用以存放已發出去的數據,以便知道出差錯后可以調出數據緩沖區的內容重新發送。FEC方式必須用糾錯碼,但它可以不需要反向信道來傳遞請求重發的信息,發送端也不需要存放以備重發的數據緩沖區。雖然FEC有上述優點,但由于糾錯碼一般說來要比檢錯碼使用更多的冗余位,也就是說編碼效率低,而且糾錯設備也比檢錯設備復雜得多,因而除非在單向傳輸或實時要求特別高(FEe由于不需要重發,實時性較好)等場合外,數據通信中使用更多的還是ARQ差錯控制方式。有些場合也可以將上述兩者混合使用,即當碼字中的差錯個數在糾正能力以內時,直接進行糾正;當碼字中的差錯個數超出糾正能力時,則檢出差錯,使用重發方式來糾正差錯。 衡量編碼性能好壞的一個重要參數是編碼效率R,它是碼字中信息位所占的比例。若碼字中信息位為k位,編碼時外加冗余位為r位,則編碼后得到的碼字長度為n=k+r位,由此編碼效率R可表示為: R=k/n=k/(k+r) 顯然,編碼效率越高,即R越大,信道中用來傳送信息碼元的有效利用率就越高。
奇偶校驗碼、循環冗余碼和海明碼是幾種最常用的差錯控制編碼方法。 *
奇偶校驗碼 奇偶校驗碼是一種通過增加冗余位使得碼字中"1"的個數恒為奇數或偶數的編碼方法,它是一種檢錯碼。在實際使用時又可分為垂直奇偶校驗、水平奇偶校驗和水平垂直奇偶校驗等幾種。
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