网络工程师软考

常见传输介质（一）

• 双绞线：分为屏蔽双绞线STP，与非屏蔽双绞线UTP。
  • 双绞线线序一般分类两种：T578A，T568B
  • 如果双绞线两端使用相同标准择称为直通线，使用不同标准择称为交叉线
  • 其实还有一种称为全反线，一端使用其中一个标准，而领一端的接线与本端完全相反，这种线缆一般用于配置的console线缆
• 双绞线的性能指标：衰减、串扰、直流电阻、特性阻抗、衰减串扰比、电缆特性

常见传输介质（二）

• 同轴电缆：分为粗缆，细缆，传输距离长，信号稳定，一般用于电视，监控系统，音响设备等。

常见传输介质（三）

• 光纤：光纤一般分为单模光纤，多模光纤。
  • 单模光纤采用激光二极管IED作为光源
  • 多模光纤采用发光二极管LED作为光源

介质	分类	特性
双绞线	一类双绞线	用于初期电话线线。不用于数据传输
	二类双绞线	传输频率13Hz，用于语音传输和最高传输速率4Mb/s的数据传输。常见于使用4/b/s规范令牌传递协议的令牌网。
	三类双绞线	传输频率16Hz。用于语音传输及最高传输速率10Mb/s的数据传输。主要用于10base-T。
	四类双绞线	传输频率20Cz;用于语音传输和最高传输速率16Mb/s数据传输，主要用于基于令牌局城网和10base-T/100base-1
	五类双绞线	增加了绕线密度，外套绝缘材料。传输频率100MHz。用于语音传输和最高传输速率为100Mb/s的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络。最常用的以太网电播。
	超五类双绞线	在五类双绞线的基础上，增加了额外的参数和部分性能的提升，传输速率为1000Mb/s。
	六类双绞线	物理上与超五类不同，线与线对之间是分隔的，传输速率为1000Mb/s。
同轴电缆		一般用于catv信号传输，可以混合catv与数字数据传输
光纤	单模光纤	单模光纤芯径8~10μm。包层直径125μm:使用的光波波长为1310nm、1550nm。
	多模光纤	在给定的工作波长上能以多个模式同时传输的光纤，纤芯直径较粗一般为50-200μm，包展直径为125-230μm;使用的光波波长为850nm、1300nm。

常见传输介质（四）

• 无线电：

  • 无线电传播介质：

    • 长波：长波波长>1000m，频率处于30-300kHz之间。
    • 中波：中波波长100-1000m，频率处于300kHz-3MHz之间。主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。
    • 短波：短波波长10-100m，频率处于3-30MHz。具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。
    • 超短波：超短波波长1-10m，频率处于30-300MHz。绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信。
    • 微波:微波波长1mm-1m，频率处于300MHz-300GHLz之间。绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信。
    • 微波具有频带宽，通信容量大，多波道同时工作互不影响，抗干扰性强，噪声不积累，保密性强，通信灵活，投资少，建设快等优势。

• 红外线：

  • 红外线的波长范围为0.75~1000μm。

  • 红外线可分为三部分:

    • 近红外线，波长为0.75-1.50μm;
    • 中红外线，波长为1.50-6.0μm;
    • 远红外线，波长为6.0-1000μm。

  • 红外线优点：

    • 不易被人发现和截获，保密性强。
    • 几乎不会受到电气、人为干扰，抗干扰性强。
    • 红外线通信机体积小，重量轻，结构简单，价格低廉。

  • 红外线不足：

    • 必须在直视距离内通信，且传播受天气的影响。

同步传输与异步传输

• 同步传输：

  • 该方式是在一块数据的前面加入1个或2个以上的 同步字符。

  • 同步字符后面的数据字符不需任何附加位，同步字符表示字符传送的开始，发送端和接收端应先约定同步字符的个数，没有起始位和停止位，整块数据流传输。必须同步双方的时钟。

• 异步传输：

  • 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。

  • 异步传输在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，发送方可以在任何时刻发送比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。

  • 传输的双方不需要使用某种方式来“对时”，数据是按单个字符加上开始位和停止位，有时还会加上校验位。

调制与解调

• 调制: 将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号)

• 解调: 在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号

模拟数据使用模拟通道传输

• 需要对原始数据进行调制(调幅调频调相)，可以做到通道的复用和避免一些传输限制。

• QAM正交幅度调制是把两个幅度相同相位相差90°的模拟信号合为一个载波信号。

模拟数据使用数字通道传输

• 在数字信道中传输的技术称为PCM脉码调制。

• 例如在数字电话系统中，需要把模拟数据转化为数字信号，需要使用编码解码器设备，把模拟数据(例如声音，图像等)变换成数字信号，经传输到达接收端再解码还原为模拟信号。

• 具体步骤为采样，量化，编码。采样(2倍)，量化(等级)，编码(=进制)。

• 对模拟信号进行数量足够的采样，当采样数量为模拟信号的最高频率分量的2倍，则可以满足采样要求。然后将信号样值进行等间隔的量化。最后将信号编码为二进制数字编码

数字数据使用模拟通道传输

需要通过调制技术，用模拟信号对数字数据进行编码，使其适合在模拟信道传输。

数字调制的三种基本方式

• ASK：振幅无变化为0，振幅有变化为1
• FSK：振幅稀疏为0，振幅稠密为1
• PSK：以未调载波的相位作为基准，数字信号为1振幅不变，数字信号为0振幅反转180°
• DPSK与PSK原理相近，只是码元种类不同

传输时延

• 带宽:

  • 传送模拟信号时指模拟信号具有的频带宽度，单位是赫Hz。传送数字信号时指数字信道能传送的最高数据率，单位是比特每秒bps。

• 时延:

  • 一个报文或分组从一个网络一端到另一端所需的时间，由三部分组成，计算公式:总时延=发送时延+传播时延+处理时延

• 发送时延:

  • 节点在发送数据时使报文或分组从节点进入到传输媒体所需的时间，也就是从报文或分组的第一个比特开始发送，到这个报文或分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。
  • 计算公式:
    • 发送时延=报文或分组长度(bit)/信道带宽(b/s)

• 传播时延:

  • 是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

  • 计算公式:

    • 传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速度(m/s)

  • 注:电磁波在不同介质上传输速率不同

    • 在光纤，微波中传播速率是光速$3*10^8m/s$
    • 在铜线中传播速率为$2.3*10^8m/s$
    • 在电缆中传播速率为$2*10^8m/s$
    • 通过卫星传播时，传播时延为270ms

常用单位换算

• 1Byte(字节)=8bit(比特)

• 1Gb=1024Mb

• 1Mb=1024Kb

• 1Kb=1024b

• 1m(米)=100cm(厘米)=1x103mm(毫米)=1x106um(微米)

• 1s(秒)=1x103ms(毫秒)=1x106μs(微秒)

传输速率

• 数据传输速率:

  • 又称比特率，单位是bps，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数。设定码元传输速率为B，信息速率为R，公式为$R=B×\log_2N$

  • 其中，N为采用的进制数，码元种类。例如:对于采用16进制进行传输信号，则其信息速率就是码元速率的4倍，如果数字信号采用四级电平，即四进制，则一个四进制码元对应两个二进制码元($4=2^2$)，调制技术会影响码元种类。

调制技术	码元种类
ASK(幅度键控)	2
FSK(频移键控)	2
PSK(相移键控)	2
DPSK或2DPSK(二相差分相位键控)	2
4DPSK(四相差分相位键控)	4
BPSK(二进制相移键控)	4

数据速率计算

• 无噪声环境下$B=2W$—奈奎斯特定律

  • $W=f2-f1$(f2：信道最高频率；f1：信道最低频率)
  • $R=B×log_2N$
    • B:码元速率Baud
    • W:带宽Hz
    • N:码元种类， 一般会受到调制技术的影响
    • R:数据速率b/s)

• 有噪声环境下$C=W×log_2(1+S/N)$—香农定理
  - W:带宽Hz
  - C:极限数据速率
  - S/N:信噪比，一般用db来表示， $db=10×log_{10}S/N$

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试题一：

设信道带宽为4000Hz，信噪比为30dB，按照香农定理，信道容量为（ C ）
A. 4KB/s
B. 1.6Kb/s
C. 40Kb/s
D. 120Kb/s

解：
#算出db
$db=10×log_{10}S/N$
$30=10×log_{10}S/N$
$3=log_{10}S/N$
$10^3=S/N$
$1000=S/N$
#套入香农
$C=W×log_2(1+S/N)$
$C=4000×log_2(1+1000)$
$C=4000×10$
$C=40000$
$C=40Kb/s$

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试题二：

地面上相距2000km的两地之间通过电缆传输4000bit长的数据包，数据速率为64Kb/s，从开始发送到接收完成需要的时间为（ D ）
A. 48ms
B. 640ms
C. 32.5ms
D. 72.5ms

解：

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试题三:

在异步通信中，每个字符包含1位起始位、7位数据位、1位奇偶位和1位终止位，每秒钟传送200个字符，采用DPSK调制，则码元速率为( D )
A.200波特
B.500波特
C.1000波特
D.2000波特

解：
DPSK码元种类为2
$R=B×log_2N$
$2000=B×log_22$
$2000=B×1$
$2000=B$

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试题四:

在异步通信中，每个字符包含1位起始位、7位数据位、1位奇偶位和1位终止位，每秒钟传送200个字符，采用DPSK调制，有效数据速率为( C )
A. 200波特
B. 500波特
C. 1400波特
D. 1000波特

解：
DPSK码元种类为2
$R=B×log_2N$
$R=1400×1$
$R=1400$

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数据交换方式

• 线路交换:

  • 通信开始之前，一端呼叫，另一端应答后建立专用线路。通信期间独占线路，通信结束后拆除线路。
  • 优点是：传输延迟小，没有信号冲突，独享线路。
  • 缺点是：建立线路时间较长，线路独享会造成资源浪费，即便不传输数据，其他用户也不可使用。

• 报文交换:

  • 发送方整个数据块称为报文。
  • 不需建立线路，发送报文时会加上目的地址，交换设备根据目的地址选择一条空闲的线路将报文发送出去，中间交换设备收到报文后首先先存储，再转发，所以报文交换使用的存储转发技术。
  • 优点是：动态分配线路，线路共享，提高了资源利用率。
  • 缺点是：报文交换对数据块的大小没有限制，传输大报文时，交换设备需要有大容量的磁盘进行缓存。

• 分组交换:

  • 解决了交换报文的大小问题，把大报文分割成小数据单位，报文分组除数据信息外，还包括目的地址，分组编号，校验码等控制信息，每个分组可以按照不同路径转发，接收端根据分组编号重组报文。

  • 由于每个报文自己选择传输路径，所以到达目时顺序没有规则，可能出现丢失，重复分组的情况。需要通过端对端协议解决。所以报文分组交换适用于距离短，节点不多，报文分组少的情况。分组交换分为数据报方式和虚电路方式。

• 数据报:

  • 每个分组首部用完整的目标地址，交换设备通过转发表转发分组。

• 虚电路:

  • 发送数据前，源目主机首先建立虚连接，建立虚连接阶段，中间的交换设备通过VC表来标识连接状态，将VCI(虚链路标识)添加到分组首部进行传送。VCI具有唯一性。虚电路按照业务划分可以分为交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)

• 信元交换:

  • ATM采用的交换方式，信息被分成信元来传递，按照虚电路的方式进行分组转发
  • 分组长度固定，称为信元，信元长度53B，5B的首部，48B的有效载荷。ATM信元的两种不同首部，分别为UNI(用户到网络接口)， NNI(网络网络接口)

多路复用技术

• 频分复用FDM:

  • 收音机、电视都使用频分复用技术。
  • 在发送端根据使不同信号分配到不同的频率段频率区间，频分复用是基于模拟信道的，如果需要传输数字信号，就必须把数字信号转换为模拟信号以后，再使用频段内的载波进行调制。

• 时分复用TDM:

  • 把传输的数据在时间上分成不同的时隙进行传输。时间时隙固定，不可灵活分配。

• 统计时分多路复用STDM:

  • 只有当节点有数据要传输时才分配资源暂停发送数据时，不分配线路资源，本质上讲是异步时分复用，能动态地将时隙按需分配。

• 波分复用WDM:

  • 不同波长的光线通过同一根光纤传播，根据不同的光波长，将信道划分为多个逻辑信道，使同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长的光信号。

• 码分多路服用CDM:

  • 是指利用各路信号码型结构正交性而实现多路复用的通信方式，码分多路复用CDM又称码分多址（CDMA）

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试题五：

为了使数据在网络中的传输延迟最小，首选的交换方式是（ A ）
A. 电路交换
B. 报文交换
C. 分组交换
D. 信元交换

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