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通信基础
2.1通信基础
通信技术是衡量人类社会进步的一个重要标志,特别是远程通信技术。
从很久以前,人们通过烽火台、金鼓、旌旗等方式进行通信,在现今,人们通信的手段发生了天翻地覆的变化,相继出现了电话、电视、网络等新型手段,网络的出现更是使人类的通信技术产生了深远的变革,为人类社会带来了巨大的利益。
下面将介绍网络通信的一些基础知识。
2.1.1基本概念
本小节将主要介绍数据、信道、信号、宽带、码元、波特、速率等一些数据通信的基本概念,加强我们对这些基本概念的理解。
1.数据
数据(data)一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。
而信息(information)是客观事物属性和相互联系特性的表征,它反映了客观事物的存在形式和运动状态。
狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息,如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的数据等。
但在计算机网络中,数据通常被广义地理解为在计算机网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。
话音信息、图像信息、文字信息,以及从自然界直接采集的各种自然属性信息均可转换为二进制数字编码,以便于在计算机网络中存储、处理和传输。
计算机网络中的数据库、数据处理和数据通信所包含的数据通常就是指这种广义的数据。
数据分为模拟数据和数字数据两种。
模拟数据在一段时间内具有连续的值,例如声音和电视图像是连续变化的数据。
数字数据的值是离散的,例如文本和整数。
模拟数据最常见的例子是音频(audio),它们以声波的形式被人们直接感受到。
模拟数据的另一常见例子是视频(video)。
要产生屏幕上的一幅画,电子束必须从左至右、从上到下地扫描屏幕表面。
对于黑白电视来说,在某一点产生的亮度(从黑到白取值)与扫过这一点的电子束的强度成正比。
因此,某一时刻的电子束具有一个模拟的强度值,它对应屏幕上的某点产生适当的亮度。
同时,当电子束不断进行扫描时,这个模拟值也连续不断地变化。
因此,视频图像可以看做是随时间改变的模拟信号。
数字数据的一个常见实例是文本(text)或者说字符串。
虽然文本数据对人类来说是最方便不过的,但是以字符的形式表示的数据既不容易存储,也不容易被数据处理系统处理,以及被通信系统传输。
因为这些系统是设计用来处理二进制数据的。
人们因此发明了许多编码方法,通过这些编码方法,字符被表示成比特序列。
最早的常用编码可能要算莫尔斯电报码了。
今天,最常用的字符编码是国际基准字母表(InternationalReferenceAlphabet,IRA)。
IRA在ITU-T建议书T.50中定义,它早期以国际字母表5(InternationalAlphabet5)闻名。
在这种编码中,每一个字符用7位二进制表示,因此一共可以表示128个不同的字符。
其中,有些用来表示不可打印的“控制字符”。
IRA的美国国家版本称为美国信息互换标准代码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange,ASCII)。
2.信号
信号(signal)是数据的电压或电磁编码。
在数据通信系统中我们常常使用电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号来表示各种不同的信号。
从时域的观点看,信号不是连续的就是离散的。
如果信号的强度(电压或电流值)变化是平滑的,这种信号就是连续信号(continoussignal),换而言之,就是信号没有中断或不连续,我们将这种信号称为模拟信号(analogsignal)。
如果在一段时间内信号强度保持某个常量值,然后在下一个时间段又变化到另一个常量值,这种信号称为离散信号(discretesignal),我们将这种信号称为数字信号(digitalsignal)。
如图2-1所示,分别给出了模拟信号和数字信号的情况。
虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别,但二者之间并不存在不可逾越的鸿沟,在一定条件下是可以相互转换的。
通过使用一种称为调制解调器的设备,数字数据可以用模拟信号表示。
调制解调器将二进制的电压脉冲(只有两个值)序列转换成模拟信号,这种转换是把数字数据调制到某个载波频率上,调制后所得的信号是以载波频率为中心的具有特定频谱的信号,并且能够在合适的介质上传输。
最常见的调制解调器是将二进制数字数据用话音信号表示,如图2-2所示,这样二进制数字数据可以在普通的音频电话线上传输。
而在电话线的另一端,调制解调器从话音信号中解调出原始的二进制数字数据。
另一方面,模拟数据也可用数字信号表示,如图2-3所示。
我们可以通过一个称为编码解码器的设备将模拟话音数据编码成比特流,然后通过数字传输系统传输到接收端;在接收端,通过编码解码器将这个比特流重建为模拟话音数据。
3.信道
通俗地说,信道是指以传输媒质为基础的信号通路。
具体地说,信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。
信道的作用是传输信号,它提供一段频带让信号通过,同时又给信号加以限制和损害。
如果将信号比作汽车,那么信道就应该是公路。
我们可以从狭义信道和广义信道两个方面来理解信道。
狭义信道是指信号接收端和发送端之间的传输媒介,这样定义信道容易理解,但在实际应用中,接收端和发生端之间只有传输媒介是远远不够的,这就需要扩展信道,这就是广义信道,它除了传输媒介外,还可以包括信号转换器、放大器等一些信号处理设备。
4.宽带
对于宽带来说,并没有严格的定义,也没有一个统一的规定,到底多宽的带宽才是宽带,宽带是针对窄带而言的。
目前,很多人将带宽大于1Mbit/s的称为宽带,小于1Mbit/s的称为窄带。
通常,我们普通电话拨号的速率最高为56Kbit/s,ISDN的速率最高为128Kbit/s,宽带的速率数十倍乃至数百倍于窄带的速率。
从一般的角度理解,宽带是能够满足人们感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽,因此,它也是一个动态的、发展的概念。
目前的宽带对家庭用户而言,是指传输速率超过1Mbit/s,可以满足语音、图像等大量信息传递的需求,但随着网络的发展,将来定义宽带的时候可能就不会再是1Mbit/s。
5.码元
码元(codecell)是信号编码单元。
对于数字通信而言,一个数字脉冲就是一个码元,即用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元,而这个时间间隔被称为码元长度;而对于模拟通信而言,载波的某个参数或某几个参数的变化就是一个码元。
6.波特
波特是码元传输的速率单位。
码元速率是指(数字或模拟)信号每秒钟变化的次数,单位是波特率。
当信道带宽一定时,信道所能传输信号的最大码元速率是确定的。
在电子通信领域,波特率即调制速率,指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数,即单位时间内,载波参数变化的次数。
它是对信号传输速率的一种度量,通常以“波特每秒”(Bps,Baudpersecond)为单位。
波特率有时候会同比特率混淆,实际上后者是对信息传输速率(传信率)的度量。
波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数(传符号率),通过不同的调制方法,可以在一个码元上负载多个比特信息。
因此波特率和比特率在数量上的关系是:
比特率=波特率×log2M,这里的M是码元对应的离散值个数(信号的状态数)。
比如对于四相位调制方式(4-PSK),即一个码元有4种信号状态,因此M=4,此时,比特率=2×波特率。
在数字信道中,比特率是数字信号的传输速率,它用单位时间内,传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示,其单位一般为每秒比特数bit/s(bps)。
7.速率
速率是对快慢的度量,本小节中主要介绍数据传输速率和信号传输速率及两者之间的联系和区别。
数据传输速率即指每秒传输二进制信息的位数,单位为位/秒,记作bps或b/s。
计算公式为:
S=1/T×log2N(bps)。
式中:
T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)单位为秒;N为一个码元所取的离散值个数。
通常N=2K,K为二进制信息的位数,K=log2N。
N=2时,S=1/T,表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
信号传输速率即指单位时间内通过信道传输的码元数,单位为波特,记作Baud。
计算公式:
B=1/T(Baud)。
式中:
T为信号码元的宽度,单位为秒;信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。
由上面两式可得出S=B×log2N(bps)或B=S/log2N(Baud)。
这与上面所讲的比特率=波特率×log2N是一致的。
2.1.2奈奎斯特定理与香农定理
早在1924年,AT&T的工程师奈奎斯特(HenryNyquist)就认识到在任何信道中,码元传输的速率都是有上限的,并推导出一个计算公式,用来推算无噪声的、有限带宽信道的最大数据传输速率,这就是今天的奈奎斯特定理。
由于这个定理只局限在无噪声的环境下计算信道最大数据传输速率,而在有噪声的环境下仍然不能有效计算出信道最大数据传输速率,因此在1948年,香农(ClaudeShannon)把奈奎斯特的工作进一步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况,即在有随机噪声干扰的情况计算信道最大数据传输速率,这就是今天的香农定理。
下面分别介绍这两个定理。
1.奈奎斯特定理
奈奎斯特证明,对于一个带宽为W赫兹的理想信道,其最大码元(信号)速率为2W波特。
这一限制是由于存在码间干扰。
如果被传输的信号包含了M个状态值(信号的状态数是M),那么W赫兹信道所能承载的最大数据传输速率(信道容量)是:
C=2×W×log2M(bps)
假设带宽为W赫兹信道中传输的信号是二进制信号(即信道中只有两种物理信号),那么该信号所能承载的最大数据传输速率是2Wbps。
例如,使用带宽为3KHz的话音信道通过调制解调器来传输数字数据,根据奈奎斯特定理,发送端每秒最多只能发送2×3000个码元。
如果信号的状态数为2,则每个信号可以携带1个比特信息,那么话音信道的最大数据传输速率是6Kbps;如果信号的状态数是4,则每个信号可以携带2个比特信息,那么话音信道的最大数据传输速率是12Kbps。
因此对于给定的信道带宽,可以通过增加不同信号单元的个数来提高数据传输速率。
然而这样会增加接收端的负担,因为,接收端每接收一个码元,它不再只是从两个可能的信号取值中区分一个,而是必须从M个可能的信号中区分一个。
传输介质上的噪声将会限制M的实际取值。
2.香农定理
奈奎斯特考虑了无噪声的理想信道,而且奈奎斯特定理指出,当所有其他条件相同时,信道带宽加倍则数据传输速率也加倍。
但是对于有噪声的信道,情况将会迅速变坏。
现在让我们考虑一下数据传输速率、噪声和误码率之间的关系。
噪声的存在会破坏数据的一个比特或多个比特。
假如数据传输速率增加了,每比特所占用的时间会变短,因而噪声会影响到更多比特,则误码率会越大。
对于有噪声信道,我们希望通过提高信号强度来提高接收端正确接收数据的能力。
衡量信道质量好坏的参数是信噪比(Signal-to-NoiseRatio,S/N),信噪比是信号功率与在信道某一个特定点处所呈现的噪声功率的比值。
通常信噪比在接收端进行测量,因为我们正是在接收端处理信号并试图消除噪声的。
如果用S表示信号功率,用N表示噪声功率,则信噪比表示为S/N。
为了方便起见,人们一般用10log10(S/N)来表示信噪比,单位是分贝(dB)。
S/N的值越高,表示信道的质量越好。
例如,S/N为1000,其信噪比为30dB;S/N为100,其信噪比为20dB;S/N为10,其信噪比为10dB。
对于通过有噪声信道传输数字数据而言,信噪比非常重要,因为它设定了有噪声信道一个可达的数据传输速率上限,即对于带宽为W赫兹,信噪比为S/N的信道,其最大数据传输速率(信道容量)为:
C=W×log2(1+S/N)(bps)
例如,对于一个带宽为3KHz,信噪比为30dB(S/N就是1000)的话音信道,无论其使用多少个电平信号发送二进制数据,其数据传输速率不可能超过30Kbps。
值得注意的是,香农定理仅仅给出了一个理论极限,实际应用中能够达到的速率要低得多。
其中一个原因是香农定理只考虑了热噪声(白噪声),而没有考虑脉冲噪声等因素。
香农定理给出的是无误码数据传输速率。
香农还证明,假设信道实际数据传输速率比无误码数据传输速率低,那么使用一个适当的信号编码来达到无误码数据传输速率在理论上是可能的。
遗憾的是,香农并没有给出如何找到这种编码的方法。
不可否认的是,香农定理确实提供了一个用来衡量实际通信系统性能的标准。
2.1.3信源与信宿
信源与信宿是网络中的两个专业名词,其实,信源与信宿可简单地理解为信息的发送者和信息的接收者。
信息传播的过程一般可描述为:
信源→信道→信宿。
在传统的信息传播过程中,对信源的资格有严格的限制,通常是指广播电台、电视台等机构,采用的是有中心的结构。
而在计算机网络中,对信源的资格并无特殊限制,任何一个网络中的计算机都可以成为信源,当然任何一个网络中计算机也可以成为信宿。
2.1.4编码与调制
由于传输介质及其格式的限制,通信双方的信号不能直接进行传送,必须通过一定的方式处理之后,使之能够适合传输媒体特性,才能够正确无误地传送到目的地。
调制是指用模拟信号承载数字或模拟数据;而编码则是指用数字信号承载数字或模拟数据。
目前存在的传输通道主要有模拟信道和数字信道两种,其中模拟信道一般只用于传输模拟信号,而数字信道一般只用于传输数字信号。
有时为了需要,也可能需要用数字信道传输模拟信号,或用模拟信道传输数字信号,此时,我们就需要先对传输的数据进行转换,转换为信道能传送的数据类型,即模拟信号与数字信号的转换,这是编码与调制的主要内容。
当然模拟数据、数字数据如何通过通道发送的问题也是编码与调制的重要内容。
下面我们分别从模拟信号使用模拟信道传送、模拟信号使用数字信道传送、数字信号使用模拟信道传送和数字信号使用数字信道传送四个方面来介绍数据的调制与编码。
1.模拟信号使用模拟信道传送
有时候模拟数据可以在模拟信道上直接传送,但在网络数据传送中这并不常用,人们仍然会将模拟数据调制出来,然后再通过模拟信道发送。
调制的目的是将模拟信号调制到高频载波信号上以便于远距离传输。
目前,存在的调制方式主要有调幅(AmplitudeModulation,AM)、调频(FrequencyModulation,FM)及调相(PhaseModulation,PM)。
2.模拟信号使用数字信道传送
使模拟信号在数字信道上传送,首先要将模拟信号转换为数字信号,这个转换的过程就是数字化的过程,数字化的过程主要包括采用和量化两步。
常见的将模拟信号编码到数字信道传送的方法主要有:
脉冲幅度调制(PulseAmplitudeModulation,PAM)、脉冲编码调制(PulseCodeModulation,PCM)、差分脉冲编码调制(DifferentialPCM,DPCM)和增量脉码调制方式(DeltaModulation,DM)。
3.数字信号使用模拟信道传送
将数字信号使用模拟信道传送的过程是一个调制的过程,它是一个将数字信号(二进制0或1)表示的数字数据来改变模拟信号特征的过程,即将二进制数据调制到模拟信号上来的过程。
一个正弦波可以通过3个特性进行定义:
振幅、频率和相位。
当我们改变其中任何一个特性时,就有了波的另一个形式。
如果用原来的波表示二进制1,那么波的变形就可以表示二进制0;反之亦然。
波的3个特性中的任意一个都可以用这种方式改变,从而使我们至少有3种将数字数据调制到模拟信号的机制:
幅移键控法(Amplitude-ShiftKeying,ASK)、频移键控法(Frequency-ShiftKeying,FSK)以及相移键控法(Phase-ShiftKeying,PSK)。
另外,还有一种将振幅和相位变化结合起来的机制叫正交调幅(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)。
其中正交调幅的效率最高,也是现在所有的调制解调器中经常采用的技术。
4.数字信号使用数字信道传送
要是数字信号在数字信道上传送,需要对数字信号先进行编码。
例如,当数据从计算机传输到打印机时,一般是采用这种方式。
在这种方式下,首先须进行对数字信号编码,即由计算机产生的二进制0和1数字信号被转换成一串可以在导线上传输的电压脉冲。
对信源进行编码可以降低数据率,提高信息量效率,对信道进行编码可以提高系统的抗干扰能力。
目前,常见的数据编码方式主要有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码三种。
(1)不归零码(NRZ,Non-ReturntoZero):
二进制数字0、1分别用两种电平来表示,常用-5V表示1,+5V表示0。
缺点是存在直流分量,传输中不能使用变压器;不具备自同步机制,传输时必须使用外同步。
(2)曼彻斯特编码(ManchesterCode):
用电压的变化表示0和1,规定在每个码元的中间发生跳变。
高→低的跳变代表0,低→高的跳变代表1(注意:
某种教程中关于此部分内容有相反的描述,也是正确的)。
每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来,作为同步信号。
这种编码也称为自同步码(Self-SynchronizingCode)。
其缺点是需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍)。
(3)差分曼彻斯特编码:
每个码元的中间仍要发生跳变,用码元开始处有无跳变来表示0和1。
有跳变代表0,无跳变代表1(注意:
某种教程中关于此部分内容有相反的描述,也是正确的)。
2.1.5交换方式
交换的概念最早来自于电话系统。
所谓交换,从字面上理解就是一种转发。
信息(话音、数据)从交换设备的某个接口进入,然后从另外一个接口出去的过程就是交换。
目前,交换技术已被广泛应用于网络中,按照数据传送的方式划分,可以将交换技术分为电路交换、报文交换与分组交换
1.电路交换
电路交换(circuitswitching)是指每次通信会话建立、保持并终止一条专用物理电路。
也就是说,在电路交换网络中,为了实现一对终端的通信,沿其路径所需的资源在整个会话期间必须预留。
传统的电话业务和窄带网络就是采用这种技术进行数据传送的。
电路交换的优点主要有以下几个方面。
(1)传输时延小。
电路交换的主要延迟是物理信号的传播时延。
(2)传输信道是独占的。
通话双方一旦建立连接,便可独享物理信道,不会与其他用户的通话发生冲突。
(3)双方通信时按发送顺序传送数据,不存在失序问题。
(4)电路交换既适用于传输模拟信号,也适用于传输数字信号。
电路交换的主要缺点有以下几个方面。
(1)通话双方建立物理信道所花费的时间比较长。
在通话开始前,呼叫信号必须经过若干个交换机,得到各交换机的认可,并最终传到被呼叫方,然后被呼叫方给出应答信号,并返回给呼叫方。
这个过程常常需要几秒甚至更长的时间。
对于许多应用(如商店信用卡确认)来说,过长的连接建立时间是不合适的。
(2)电路在通信过程中被用户独占,信道利用率低。
(3)电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信,也难以在通信过程中,进行差错控制。
2.报文交换
报文交换(messageswitching)是以报文为数据交换的单位,报文携带有目标地址、源地址等信息,在交换结点采用存储转发的传输方式,因而,有以下优点和缺点。
优点有:
(1)报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延,用户可随时发送报文,即连接时间短。
(2)通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路,因而,大大提高了通信线路的利用率。
缺点有:
(1)由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程,从而引起转发时延(包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等),而且网络的通信量越大,造成的时延就越大,因此报文交换的实时性差,不适合传送实时或交互式业务的数据。
(2)报文交换只适用于数字信号。
(3)由于报文长度没有限制,而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文,当输出线路繁忙时,还可能要存储几个完整报文等待转发,要求网络中每个结点有较大的缓冲区。
3.分组交换
分组交换(packetswitching)是报文交换的改进,采用的仍是存储转发传输方式,但它将一个长报文先分割为若干个较短的分组,然后,把这些分组(携带源、目的地址和编号信息)逐个地发送出去,因此,分组交换除了具有报文的优点外,与报文交换相比,有以下优点和缺点。
优点有:
(1)加速了数据在网络中的传输。
(2)简化了存储管理。
(3)减少了出错几率和重发数据量。
(4)由于分组短小,更适用于采用优先级策略,便于及时传送一些紧急数据。
缺点有:
(1)尽管分组交换比报文交换的传输时延少,但仍存在存储转发时延,而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
(2)分组交换与报文交换一样,每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息,使传送的信息量大约增大5%~10%,一定程度上降低了通信效率,增加了处理的时间,使控制复杂,时延增加。
(3)当分组交换采用数据报服务时,可能出现失序、丢失或重复分组,分组到达目的结点时,要对分组按编号进行排序等工作,增加了麻烦。
总的来说,各种方式都有各自的优缺点,能适应于不同的应用环境。
如若要传送的数据量很大,其传送时间远大于呼叫时间时,则采用电路交换较为合适;当端到端的通路有很多段的链路组成时,采用分组交换传送数据,较为合适。
从提高整个网络的信道利用率上看,报文交换和分组交换优于电路交换,其中,分组交换比报文交换的时延小,尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信,事实也是如此,如今大多的计算机主干网络都是采用分组交换的技术。
2.1.6数据报与虚电路
数据报和虚电路是分组交换网中两种不同的组网方式,它们最大的差别在于是按照主机目的地址路由分组还是按照虚电路号路由分组。
下面我们详细讨论这两种不同的组网方式。
1.数据报
数据报网络是按照主机目的地址进行路由分组的。
在数据报网络中,每个报文(在数据报网络中也常称之为数据报)携带目的节点地址,这样,网络中的任何一台交换机接收到数据报时都能根据数据报中的目的节点地址来决定如何到达目的节点。
在如图2-4所示的例子中,主机A、B、C都有相应的地址,当数据报网络中的交换机(此时的交换机通常是指路由器)接收到报文时,它首先查找交换机中的交换表(实际上是路由表,而如何得到路由表涉及路由的选择问题,后面详加讨论),以决定如何将接收到的报文转发给下一台交换机或目的节点。
2.虚电路
虚电路是按照虚电路号路由分组的,采用虚电路方式组网的网络提供面向连接的服务,即在通信前,需在源节点和目的节点之间建立一条虚电路,然后采用这条虚电路进行通信。
在建立虚电路时,需要在源主机和目的主机之间的每一个交换机上建立虚电路表,这是建立虚电路的关键。
虚电路表一般由许多虚电路记录组成,一条虚电路记录主要由输入接口、输出接口、输入VCI(虚电路标识)和输出VCI组成。
这里需要注意的是,交换机虚电路中输入接口和输入VCI唯一地标识经过该交换机的一条虚电路。
建立虚电路表一般有两种方法。
一种方法是由网络管理员手工配置每个交换机的虚电路表,这样建立的虚电路我们一般称为永久虚电路(PermanentVirtualCircuit,PVC)。
当然,管理员也可以手工删除交换机中的虚电路表。
另一种方法是由源节点发送一个特殊的报文给目的节点
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