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料
第一章通信发展史
近、现代通信标志:
使用电信技术,利用电和磁实现通信目的。
1.1835年,莫尔斯发明有线电磁电报;
2.1876年,贝尔发明电话机;
3.1878年,磁石电话和人工电话交换机诞生;
4.1880年,发明供电式电话机;
5.1885年,发明步进式交换机;
6.1892年,史瑞乔发明步进式自动电话交换机;
电报和电话开启了近代通信的历史。
7.1901年,马可尼发射长波无线电信号;
8.1919年,发明纵横式自动交换机;
9.1930年,发明传真,超短波通信;
20世纪30年代,信息论,调制论,预测论,统计论获得一系列突破。
1935年,发明FDM技术,发明模拟黑白广播电视;
1947年,发明大容量微波接力;
1956年,发明欧美长途海底电话电缆传输系统;
1957年,发明电话线数据传输;
1958年,发明集成电路IC。
20世纪50年代以后,元件,光纤,收音机,电视剧,计算机,广播电视,数字通信业大发展。
1962年,发射同步卫星;
1969年,形成模拟彩色电视标准NTSC、PAL和SECAM;
1972年,发明光纤。
中国通信的发展历程:
1.1972年以前,只有PSTN网络;
2.1946年,第一台电子计算机ENIAC诞生,触发了数字通信;
3.1972年光纤发明和G.711(PCM),G.712建议书通过,电信网络进入数字化;
4.1972~1980年,综合数字网IDN形成。
移动通信的发展历程:
1.1982年,发明了第二代移动通信系统2G(欧洲GSM,美D-AMPS,日D-NTT);
2.1988年,成立了“欧洲电信标准协会”(ETSI);
3.1990年,GSM标准冻结;
4.1992年,GSM被选为欧洲900MHz系统的商标“全球移动通信系统”;
5.2000年,提出3G标准(欧洲WCDMA,美CDMA2000,中国TD-SCDMA);
6.2007年,ITU将WiMAX补选为3G标准。
互联网的发展历程:
1.1969年,美军ARPAnet问世;
2.1979年,发明了局域网LAN;
3.1983年,TCP/IP协议成为ARPAnet的唯一正式协议;
4.1989年,原子能研究组织CERN发明万维网WWW;
5.1991年,美政府将Internet主干网交给私人经营;
6.1996年,美提出“下一代Internet计划(NGI)”。
第2章用什么实现通信
一、电信网中的通信工具
1.通信网第一终端——电话机
2.传真,不可或缺的通信配角
基于PSTN网络,通过拨打对方电话号码来收发传真。
过程:
文件图像、文字通过光电扫描,变成霍夫曼编码的数字信号再调制成音频信号,最后通过电话线传送,对方接收,信号复原,打印。
3.时尚先锋——手机
类型:
GSM、CDMA、小灵通、WiFi、TD-SCDMA等
注:
GPRS或CDMA1X无线移动上网卡不能称作“手机”。
手机与PDA融合,与视频业务结合,功能日益强大。
4.寻呼已退出历史舞台
5.电报——永不消逝的电波
特点:
实时性强,按字收费。
注:
很多春晚贺电为电报
二、互联网的通信手段
1.计算机
组成:
CPU,内存,硬盘,操作系统,应用软件。
形式:
台式机笔记本上网本服务器工控机(广义计算机还包括嵌入式系统,专门服务于特定应用。
其CPU一般采用专用的CPU。
)
1945年,美籍著名数学家冯·诺依曼提出了存储程序的设计思想,至今仍然采用冯·诺依曼结构。
冯·诺依曼将计算机分成五大基本部分:
输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备。
2.电子邮件——逐步取代普通信函
优点:
编辑方便,传送速度快,无纸化,成本低。
3.即时通信
代表:
ICQ,MSN,QQ,Skype,淘宝旺旺,Gtalk,米聊等
MSN:
美国微软提供,现更名为WindowsLiveMessager,界面规范,严肃,企业白领用户多。
QQ:
中国腾讯公司提供,前身是OICQ,是全球用户最多的即时通信软件。
Skype:
网络免费电话。
米聊:
手机中的即时通信软件,目前很流行。
三、专业领域的通信工具
1.对讲机——我来自行业
其客户群全部是政府机构或大企业专用系统。
(公安,保安,公路,石油开发,工厂调度等。
)
工作方式:
PTT(PushtoTalk)一对多通信。
2.视频通信——沟通看得见
用可见的方式进行远程通信。
只需一根网线(无线网络),一个屏幕,一个摄像头即可。
第3章通信到底是干嘛的
一、用什么信息格式传递给对方——编码
1.近距离——语音通信
面对面的语音通信,或者利用麦克风,扩音喇叭等对语音进行放大。
2.远距离——电磁信号
二、信息传递的额外要求——网络优化
1.多方通信问题,即“N平方问题”优化。
简化网络扩展,节省网络资源。
2.安全性
3.复用技术(一条线路被多个信道共用)
分为确定复用和统计复用两种,如TDM,FDM,WDM等。
4.从实时性角度考虑,信息交互分为面向连接和无连接
面向连接:
PSTN,帧中继,ATM,MPLS网络等;
无连接:
IP网络。
第4章说说“编码”
通信系统模型和功能
源系统(输入信息→源点→输入数据→发送器)→发送的信号→传输系统→接收的信号→目的系统(接收器→输出数据→终点→输出信息)
调制解调器
作用:
将话音、数据、视频等信号复用后通过同一条电话线(或电缆、光纤)传输。
复用原理:
将电话线的频带划分出话音通道和数据通道。
注:
媒质不同,复用方式可能不同。
电话线是最常用的传输媒质。
信源:
指人、生物、机器以和自然界一切其他事物;
信源、信道编码器:
把存储信息的“消息”变成信号的各种设施
传输媒介:
声波,电磁波,光波,电缆,光缆,无线电波等;
信道、信源译码器:
将信号还原为自然界信息的各种设施;
信宿:
信息的目的地,接收方。
从声音到模拟信号
除了声音之外,还有图像,文字等自然界的信息,称为“原始数据”。
也必须转换为电磁信号。
以声音到电磁信号的转换为例。
有两种主要转换方式:
改变f2,使它能以适合传输的形式表示数据,即为调制。
调制解调器”就是用于完成“载波”并“卸载”的装置。
A/D,D/A,PCM和线路编码
1.A/D的必要性:
◆模拟信号不适合远距离传输:
能量损失严重,信号会产生畸变和衰减;对信号放大的同时,也放大了失真,失真叠加会加重信号失真。
◆数字信号的“再生器”能消除前一段电路对信号的衰减和畸变,不会累积噪声引起的失真。
◆数字信号是传送和表示的需要。
任何明确的0和1不容易受噪声影响,不容易引起歧义,对传送要求也低。
为什么要数字化?
数字化优点:
便于计算机操作精确表示物理量抗干扰能力强传输效率高性能稳定、生产方便
复用和解复用
时分复用
◆TDM定义:
在同一条线路上按照时间位置均匀分片,每个时间分片被一个用户的信息流占用。
时间片即为“时隙”。
◆时隙:
指能明确决定其时间位置和用途的周期性重复的时间间隔。
◆同步:
通信设备利用信息内容本身来获取相互间的一致性。
可采用“同步码”或者“信令”来进行信息的同步管理。
但是需要占用一定的信道。
PCM复用
◆国际电信联盟(ITU)对PCM复用有两种建议:
PCM30/32制式PCM24制式
PCM与TDM的区别:
(1)TDM是复用方式,PCM是利用TDM的编码格式;
(2)PCM编码后信息可以在TDM或FDM或WDM网络上
波特率和比特率
信息速率:
单位时间(1s)内传输的平均信息量。
单位是比特/秒,或b/s,或bps。
简称比特率。
码元速率:
为了提高有效性,在相同信道带宽时,提高信息传输速率,可采用M进制传输。
M进制码元称为符号,有M个取值。
单位时间(1s)内传输的码元数称为码元速率。
单位为波特或B,也称波特率。
以太网帧
◆标准:
802.3
◆标准拓扑结构为总线型。
用交换机进行网络连接和组织的拓扑结构为星型。
◆总线争用技术为CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)载波侦听多路访问——冲突检测。
以太网帧格式:
FCS:
32bit的CRC校验和。
接收端将接收数据逐位进行CRC校验,如果与FCS相同,正确接收。
不同,帧破坏,要求重发该帧。
帧中继帧格式:
◆帧中继用于连接两个局域网——企业分支机构间或企业到运营商的骨干IP网络上。
◆是典型的数据链路层技术。
ATM信元
通信网的传递方式分为同步传递方式STM和异步传递方式ATM。
STM特点:
复用信号中的各路原始信号按一定时间间隔周期性出现。
ATM特点:
无周期性,需附加标志来分辨原始信号。
ATM原理:
每个分组作为一个单元独立传输,分组间传输间隔为任意时间。
为了能够承载任何信息,设计为53字节定长的帧格式。
特点:
适应快速交换能力,提高网络传输速度。
ATM交换机如何识别从端口进来的信元?
(1)ATM信元头中隐藏信息HEC,可以识别哪一位是信元的开始位,称为“信元同步检测”;
(2)ATM信元头中的VPI/VCI值,是链路标识符,可以识别信元属于哪条链路。
SDH
PDH:
准同步数字体系SDH:
同步数字体系
◆SDH实现了数字传输体制上的国际标准和多家厂家设备的横向兼容。
◆兼容:
包括统一的数字速率等级,帧结构,复接方式,线路接口和监控管理,从而简化了信号的互通以和信号的传输和交叉连接。
◆作用:
在其上可承载语音,DDN(数字数据网),帧中继,IP,ATM。
◆SDH中定义了“虚容器”,它是一种用来支持通道层连接的信息结构。
◆虚容器结构:
9行,270列,每格8位,8000次/秒9×270×8×8000=155520000即155.52Mbit/s此为基速率。
◆其他体系以基速率进行多路复用,可为其4倍,16倍,64倍。
即622Mbit/s,2.5Gbit/s,10Gbit/s。
◆每个格子的速率:
8000×8=64000=64kbit/s
◆因为每路PCM语音是64kbit/s,DDN是以64kbit/s为基准的。
可以是它的整数倍或者整数分之一。
SDH的帧结构
SOH:
段开销;供网络运行、维护、管理使用。
AUPTR:
管理单元指针;指示信息净负荷中第一字节在STM-n帧内的准确位置。
净负荷:
各支路信息。
POH:
用于通道性能监视、管理和控制的通道开销字节
图像和视频编码
国际音视频编解码标准有两大体系:
ISO制定的MPEG系列标准;ITU制定的H.26x系列视频编码标准和G.7系列音频编码标准;
主要标准包括:
MPEG-2,MPEG-4/H.264/AVC,AVS等。
AVS是我国自主知识产权的第二代“信源编码标准”。
AVS与H.264相比的特点如下:
(1)性能处于同一水平;
(2)复杂度低,实现成本低于H.264;
(3)我国拥有自主知识产权,专利授权模式简单,费用低。
第5章讲讲“寻址”
通信网有三种通信方向:
◆单工:
数据只能在一个方向上流动,好比单行线;
◆半双工:
可切换方向的单工通信,从某一时刻看,是单工的,从总体看,是双工的,好比独木桥;
◆全双工:
通信允许数据在两个方向上同时传输,相当于两个单工方式的结合,好比新干线。
◆地址设置方式:
(1)IP地址:
可手工或自动设置;
(2)MAC地址:
网卡出厂时写“死”;
(3)电话号码:
电信部门和运营商统一规划和分配。
◆寻址方法:
网络中的节点要有路由表,格式为“目的地可选路径”
网络节点可以是以太网交换机,路由器,程控交换机,ATM交换机,MPLS交换机等。
电话交换网的寻址
1.电话号码分配原则
(1)统一分配;
(2)任何交换机都必须了解分配规则;
(3)交换机要无条件执行被赋予的功能;
(4)电话交换网上的终端分配号码,交换机不分配号码
2.电话号码格式
以太网内的寻址
1.MAC(MediaAccessControl,媒体访问控制)
◆MAC地址又称为“硬件地址”。
◆MAC地址48bit,全球唯一,由IEEE组织管理,网卡制造商将其烧录到网卡里。
◆含义:
2.MAC地址寻址
3.地址映射表
◆MAC地址和IP地址的映射关系,被每台主机不断增加和更新着,就成了“地址映射表”。
◆每次添加或更改表项的工作都被赋予一个计时器。
若定时时间到之前没有再次捕捉到更新,该表项将被删除。
也就是说,MAC缓存是有生存期的。
4.网段的划分
◆当局域网内主机数量很大时,可将主机分组,每个组采用桥接方式连接。
◆每个组就称为一个“网段”,连接组的设备称为“网桥”。
IP网的寻址
1.IP地址规划
IP地址是32bit的二进制数字,为了便于记忆和书写,用4段数字来表示,8bit/段,可写成如下格式:
A.B.C.D(A,B,C,D取值为0~255)如:
211.99.34.33
◆常见的IP地址:
如:
211.99.34.33255.255.255.248
IP地址类别
IP地址的使用范围
私有IP地址空间
私有IP地址:
在企业内网使用,不会被互联网的公用计算机使用的IP地址。
注:
不同公司可能存在相同IP地址。
子网掩码
在寻址时通过子网掩码对IP地址进行屏蔽运算,先找出网络部分,再确定子网中的主机地址。
子网掩码某位为1,表示该位所对应IP地址中的一位是网络地址部分中的一位,若某位为0,表示它对应IP地址中的一位是主机地址部分中的一位。
假设子网掩码是M.N.P.Q,带入公式:
(256-M)×(256-N)×(256-P)×(256-Q)得到的结果就是这个网段有多少IP地址。
IP路由
(1)路由定义:
不同网段之间的IP数据包的传送。
(2)
(2)技术原理:
将任何一个IP数据包的目的IP地址取出,与路由表对照,定位出口在哪里。
并将IP数据包输送到该出口上去。
如果输出端口格式不同,还需封装成要求格式再输出。
(3)路由转发机制,虽然对某个目的地地址可能有多条路径可供选择,但是对某个特定的数据包,路由器只会给它某个确定的出口,如果其端口在同一网段内,则路由器会发生混乱。
路由器的转发机制,同时要实现“负载均衡”。
IP路由协议
功能:
让每台路由器“自动”获取路由表,是路由表获取和建立的机制。
TCP/UDP的端口
●端口作用:
利用“IP地址+端口号”来区分不同的服务。
范围为0~65535。
注:
通信的两台主机的端口并不是一一对应的。
●TCP:
传输控制协议
UDP:
用户数据报协议
TCP和UDP的端口号也是相互独立的。
如TCP有235个端口,UDP也可以有235个端口。
●端口分为固定端口和动态端口两种
固定端口:
范围0~1023。
要修改端口,方法是(地址:
端口号)。
如
有些端口号不能修改,如139端口,用于NetBIOS与TCP/IP间通信。
动态端口:
范围1024~65535。
应用程序按需动态分配,程序关闭则释放所占用的端口号。
IPv6
解决IP地址资源日益紧张的问题。
将IPv4的32位地址扩展为IPv6的128位。
让IP地址增加到2128个。
实际应用艰难,过渡需要软硬件的更新。
不过研究和试商用正如火如荼。
目前,人们习惯使用IPv4地址方式,并大量使用私有地址和NAT。
NAT——网络地址转换
●NAT:
NetworkAddressTranslation网络地址转换
●技术原理:
将局域网内部私有网络地址翻译成合法网络IP地址的技术。
也就是在局域网内部的计算机尽量使用私有IP地址,要访问外网的时候,要转换成公用的,合法的IP地址。
将IP地址从一个编址域映射到另一个编址域。
●根据不同应用环境,NAT机制有3种类型:
静态NAT、动态NAT、网络地址端口转换NAT。
怎么会有这么多地址?
●两台主机之间的信息交互,信息内容被一层层地翻译成各个层面的语言。
传递到对方后,再一层层翻译回来。
●翻译的过程,其实是把原始信息拆包,解包的过程。
因为每层都有制定机制保证传送的实时性,稳定性和完整性。
●不同层面需要不同的地址形式。
第6章谈谈“优化”
优化的范畴:
在通信网络中,所有试图增加功能,增强性能,保证安全性,节省投资,提高利用率,减少错误,鼓励创新的技术和理念。
优化的目的:
充分利用通信网络资源,减少浪费,发挥系统最大潜能。
可优化环节:
网络拓扑;分层结构;复用;安全;压缩等。
通信网络体系分层的好处:
有利于交流、理解、标准化。
协议仅针对某一层,为同等实体之间通信制定。
易于实现和维护。
灵活性较好,结构上可分割。
OSI参考模型
ISO组织于1977年制定OSI参考模型,现在作为通
信网建设的重要参考。
OSI模型规定了网络协
议的七层框架结构,自顶向下依次为:
每层结构和功能介绍
物理层:
描述传输的电气、机械、功能和过程的特性,
传输bit流,解决比特同步问题。
规定传输信号的电平、
码元宽度、线路码形、网络连接器插脚的数量和功能、物
理连接的建立和终止、传输方式等
数据链路层:
提供物理层无差错的数据传输,在信息流中加
入源站点和目的站点的物理地址。
负责链路的建立和终止、
帧定界帧同步、顺序控制、差错检验和恢复。
网络层:
处理分组在网络中的传输。
完成路由选择,数据交换,网络连接的建立和终止,网络连接的复用,错误的监测和恢复,分组的排序和信息流的控制,加入网络地址。
运输层:
提供进程间的通信机制,保证数据传输的可靠性,提供建立、维护和取消传输连结功能,是面向应用的高层和面向网络的低层之间的接口。
会话层:
用户与用户的连接
表示层:
代码转换,实现数据的压缩和解压缩,加密和解密。
应用层:
面向终端的应用程序
复用技术
复用思路:
让一根线路传送多条业务连接,从而大幅度节省资源。
复用技术分为“确定复用技术”和“统计复用技术”。
(1)确定复用技术
定义:
将线路拆分成若干部分,每个部分确定由某条业务连接独占,多条业务连接各行其道,相安无事。
来源于电话网,在一次呼叫过程中,同时建立两个方向的连接,每个方向只涉和一条电路,使用某条电路的一部分确定容量,且在整个呼叫过程中始终专用这部分容量。
网络拓扑研究
作用:
合理的拓扑结构能够提高线路利用率、减少拥塞发生、延长通信设备使用寿命,并易于扩展。
按网络拓扑结构分类
◆总线型:
各个站点信息分布比较均匀,效率较高;
◆星形:
每个站点都需要向中心频繁发送信息的情况;
◆网状:
各站点信息量大体一致,信息交互比较频繁;
◆环状:
信息处理呈传递型,要对信息路径采取保护措施;
◆树形:
复杂的多层管理机构。
面向连接和非面向连接
面向连接:
通信过程中首先建立一通道,通信结束后关闭这一通道。
如:
PSTN,帧中继,ATM等。
非面向连接:
数据传送过程中数据包逐节点传递,每个节点需“竞争”接入。
如:
X.25(PSPDN)分组网;IP网和广播电视网。
两者对比:
面向连接在数据包发送之前建立连接,占用了网络资源,到达时间可控。
适用于一次性要大量传输信息的情况;
非面向连接对资源进行抢占,传输时延不确定。
网络安全基本概念
1.信息安全——信息内容的保密性
●最早的信息系统安全问题,是通信和密码的结合。
●20世纪70年代后期,计算机系统实现了系统内部的信息处理和数据存储,截获了电信网络传递的信号和计算机系统处理的数据,就可以窃取,纂改和伪造信息业务系统中的信息。
●20世纪90年代,计算机系统发展成为计算机网络,互联网的边界向大众开放,给网络安全带来直接威胁,于是信息安全就进入了以边界保护为主的“计算机网络安全年代”。
2.网络安全——通信信道的安全性
各类电信网络常见安全问题:
●广电网的电视插播;
●PSTN和移动网的电话骚扰;垃圾短信;推销电话等;
●互联网中IP地址,路由信息的修改;垃圾邮件;黑客;病毒;木马攻击等;
●无线网络中黑客截取电信号,发送控制信号,干扰阻断通信形成等。
3.安全服务举例——常见通信网安全防范解决方案
●访问控制服务:
防止未授权使用系统资源,或者当网络资源已经饱和,防止新的呼叫进入。
●鉴别服务:
防止假冒威胁,盗用其他用户身份。
●数据完整性服务:
防止数据非法修改,插入,删除,中断。
●数据保密性服务:
防止泄密,信息流量分布,对保密性信息必须进行数据加密。
●抗抵赖性服务:
防止抵赖,应尽可能做到可以追溯历史数据
●木马检测服务:
通信网络中存在大量代理,有的是出于安全需要设置的代理,有的是出于特定目的设置的代理。
为“敌人”工作的代理就是木马。
4.数据加密技术
●最传统的通信保密技术叫做“密电码”技术;
●最简单的保密方式是通信双方拥有一样的明文和密文的对应方式;
●密电码技术在真正需要保密的机构,必须采取更先进的算法。
密码技术是一门高科技学科,密码学需要有一定数学基础。
通信压缩技术
●压缩目的:
节约存储空间,节省线路带宽,节省传送时间;
●压缩技术对应很多压缩算法:
如:
IP网络传输语音采用G.723算法;VoIP采用:
G.723,G.729,GSM,iLBC等;常用语音压缩技术ADPCM:
差分自适应PCM;常用图像压缩:
H.263,H.264,MPEGx等。
通信服务质量
QoS(QualityofService,服务质量),是指决定用户满意程度的业务性能的综合效果。
ITU提出的描述服务质量的参量:
●业务保障性能:
电信主管部门提供业务,并且在使用过程中提供支持的能力;
●业务适用能力:
通信网络保证业务能够支持用户成功而且方便操作的能力;
●服务能力性能:
通信网络保障用户请求提供业务和在请求过程中继续提供服务的能力;
●业务完善性能:
电信网络保证业务建立之后传输损伤不能超过限定范围的能力。
优化案例分析
1.SDH的切换保护
2.ATM与IP的世纪之争
ATM定义了几种基本业务类型来满足不同的服务要求。
●CBR业务,恒定比特率业务,专用通道的最高优先级业务,政府、高端企业的特定业务使用;
●VBR业务,可变比特率业务,根据带宽需求大小调整业务流量,适合语音、视频等业务;
●UBR业务,不确定比特率业务,即“尽力而为业务”,优先级别最低,服务质量最差。
3.MPLS技术浅析
●MPLS解决的就是各种数据网络,尤其是IP网络的优化问题;
●MPLS将IP数据包根据其业务类型打上不同的“标签”,每种标签标识不同的传送级先级。
优先级高就先传送,优先级低就后传送,如果优先级最低,而当时线路上带宽不足,那么等待这个数据包的,就只有被抛弃的命运。
任何客户都根据各自的业务优先级支付费用。
●IP网络根据路由表寻址,MPLS网络根据标签选择路由
MPLS在一下三个方面具有明显优势:
●QoS:
MPLS可以给数据打标签,设置优先级,为高优先级的业务提供更好服务;
●VPN:
MPLS可以组成VPN。
打上标签的数据包沿着特定路径传送。
VPN还可以多层嵌套,一层层传递。
●流量工程:
MPLS可以根据网络的瞬时状态进行路径选择。
MPLS的QoS有两种选择:
一种为IntServ(集成服务),另一种为DiffServ(区分服务)。
4.流媒体业务介绍
接收网络上的信息,有两
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