通信原理基础知识-笔记

通信到底干嘛的

一．通信中研究的几个问题

首先，用什么信息格式传递给对方-编码问题。类似研究人类“语言学”的问题，用什么样的表达方式“表达”信息。

其次，如何找到对方-寻址问题。研究类似门牌号码规则、寻找道路等问题。

最后，信息传递的额外要求，如安全、快捷等-优化问题。研究加密、节省成本、提高效率、增强管理、方便运营等问题。

说说“编码”

广义的“编码”问题，可以归纳为“信息用什么信息格式传送到目的地”的问题的集合，包括信息论中的信源编码和信道编码过程，包括数模、模数转换、抽样、复用、解复用，也包括各种数据帧、分组、信元的封装格式。

一.通信系统的一般模型

一．音频编码

把话筒内振膜的震动转化为强弱不同的电流，这个电流就是我们说的模拟信号。

模拟信号容易受外界的干扰，传输过程中耗损很大，传输距离增大时，多级放大器迭加会引起失真的叠加，从而使信号的失真越来越大，数字信号可以很好的解决这一问题。数字信号经过抽样量化后通过信道编码后就能在线路上传输了。

二．图像和视频编码

图像编码比语音编码复杂，图像的数据量大，要考虑实时性和清晰度。主要标准有MPEG-2、MPEG-4/H.264/AVC/和AVS（中国拥有自主知识产权）。

三.几种典型的数据技术和数据格式

1.以太网帧

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术。IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。

在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即带冲突检测的载波监听多路访问）的总线争用技术。

以太网帧结构如下：

2.IP数据包格式

IP数据包的编码格式如下：

IP数据包长度是可变的，理论上最大长度可达65535字节，但大多数的链路层都会对它进行“切分”。

IP数据包中还有一种ICMP的报文协议，如下图所示，我们看到的只是“火车的车身”，它会加上IP数据包头、以太网帧头后再局域网中传送。

四.数据包、帧和信元名称的统一问题

一般来说：

●“数据报”是比较通用的说法，不限定在任何层，也不限定任何技术；

●“帧”一般指数据链路层的数据报；

●“数据包”一般指网络层的数据报。

讲讲“寻址”

一．寻址简介

单工、半双工、全双工分别像单行道、独木桥、新干线

二．通信网上的地址格式

1.电话交换网——电话号码

2.IP网——IP地址

3.以太网——MAC地址

4.互联网——url

四．以太网内的寻址——ARP（地址解析协议）

步骤：

1.A发送ARP（地址解析协议）的以太网帧，这个帧包含A的MAC地址、A的

IP地址、目的地B的IP地址，而把目的地的MAC地址设置为00000000，意思是：本包要发送给局域网中的所有主机。

2.A发现“B的IP地址和ARP帧中相同”，记下B的MAC，以后A和B直接通

信，就不用发组播了。

五．IP网的寻址

1.IP地址规划

某台主机的IP地址描述。它分为两个部分，第一部分是我们常说的IP“主机地址”，另一部分叫做“子网掩码”。

2.DNS-互联网上的大翻译家

DNS（Domain Name System）是因特网的一项核心服务，是“域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库”，能够使人不用去记IP。

DNS 使用TCP和UDP端口53。

3.IP路由

路由

不同网段间IP数据包的传送。

IP路由的技术原理

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。

IP路由协议

路由表获取和建立的机制。

6.TCP/UDP的端口

TCP/UDP端口与交换机、路由器的物理接口没有直接的关系，它是特指TCP/IP 中逻辑意义上的一种特殊“地址”。如果把IP地址比作一间房子，端口就是出入房子的门。一个IP地址的端口有65536个之多，其中0-1024系统保留。

8.NAT-网络地址转换

NAT英文全称是“Network Address Translation”,中文意思是“网络地址转换”，顾名思义，它是一种把私网IP地址翻译成公网IP地址。

谈谈“优化”

分层的思想

分技术类别的思想

一．优化具体体现

1.分层

分层必须满足以下要求：

a.功能划分——类似的功能要放在同一层，各个层次有自己的职责。

b.垂直关系——要明确每个层次与上下层的关系，层次之间的边界要合理，使层次间的信息流量尽量小。

c.水平关系——要明确每个层面与其对等层面的关系。

ISO/OSI 7层

1>物理层

物理层处于OSI参考模型的最低层。物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送比特流。

2>数据链路层

在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

3>网络层

网络层主要任务是通过路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层要实现路由器选择、拥塞控制与网络互连等功能。

4>传输层

传输层的主要任务是向用户提供可靠的端到端（End-to-End）服务，透明地传送报文。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通体体系结构中最关键的一层。

5>会话层

会话层的主要任务是组织两个会话进程之间的通信，并管理数据的交换。

6>表示层

表示层主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。它包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。

7>应用层

应用层是OSI参考模型中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作，而且还要作为应用进程的用户代理（User Agent），来完成一些为进行信息交换所必需的功能。它包括：文件传送访问和管理FTAM、虚拟终端VT、事务处理TP、远程数据库访问RDA、制造业报文规范MMS、目录服务DS等协议。

2.复用技术-一根线“掰”成几“瓣”用

a.确定复用

将管线拆成若干部分（无论是用频率拆分还是时隙拆分），每个部分确定由某条业务连接独占，各行其道。以下都属于确定复用范畴：

FDM PDH SDH WDM

b.统计复用

管线不作确定的“拆分”，而是每条业务连接通过各自的标识号来做区分，各个业务连接根据自身需要来争抢资源，系统会定义争抢的优先级以及拥塞时的抛弃优先级。以下技术属于统计复用范畴：

PSPDN(X.25) 帧中继 PPP ATM 以太网

3.网络拓扑研究-“排兵布阵”

a.面向连接：传送信息所占的通道在传送前通过信令建立起来。

b.非面向连接：传送信息所占的通道在传送过程中一站一站地向前推进而没有所谓的“连接”。

三．优化的案例

1.MPLS

MPLS是IP通信网的未来和希望。MPLS要解决的就是各种数据网络，尤其是IP 网络优化问题。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优先级。优先级高就先传送，优先级低就后传送，如果优先级最低，而当时线路上宽带不足，那么这个数据包就被丢弃。

路由与交换

1.HUB和交换机

HUB的工作原理是广播，一个数据包需要送达所有的端口，造成资源浪费且浪费时间。

以太网交换机保存着每个终端的MAC地址对应表，可以直接传送数据到终端，无需广播到所有端口。以太网交换机分为2层交换机和3层交换机，3层交换机具备路由功能。

2. 路由器

a.工作原理：路由器工作在IP网络层，它实现不同子网之间的数据转发。

两个功能：

路由表及路由协议，路由器转发数据包的依据是路由表。

从输入线路接收数据后，分析与修改包头，查找输出端口，把数据搬到输出线路上。

交通指示牌和路由表

b.路由发现-路由协议：负责路由器获取路由表的协议。

3.IP网检测工具：ICMP

ICMP(Internet Control Message Protocol互联网报文控制协议), 我们常用的ping、traceroute都是基于ICMP协议的。它们的原理图可以用下图这个跋山涉水的小卡通表示。