1. 02- 通信基础

2. 主要知识点

8. 基本概念 波特率、比特率与码元 波特率（ Baud Rate ）是指单位时间内信号波形所能达到的最大变换次数，单位为赫兹（ Hz ）。信号波形的变换实质上是表示信号的函数发生了改变，即示正弦谐波的三要素：振幅、频率和相位中的某一元素发生变化。 单位时间内在信道上传送的数据量（即比特数）称为数据速率，又称为比特率，其单位为 bps 或 b/s 。 在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元（ Symbol ），一次脉冲的持续时间称为码元的宽度。码元速率（ Symbol Rate ）表示单位时间内信号波形的最大的变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数。码元速率即数字信号中的波特率，所以码元速率的单位也为波特。

9. 看图答问 下图是一个典型的正弦波，请问它的波特率是多少？ 1 秒

10. 基本概念 频谱与带宽 如果一个复合信号可以分解为多个谐波。每个谐波是原信号的分量，都有振幅、频率和相位三个要素。信号频谱是信号的所有分量的频率的集合。 带宽（ Broad ）是频谱的宽度，即频谱中最高频率与最低频率的差值。带宽的单位是赫兹（ Hz ），与频率的单位相同。 例如，一个周期信号可分解为五个频率为 100Hz 、 200Hz 、 400Hz 、 500Hz 和 800Hz 的正弦波，则最高频率 f h =800Hz ，最低频率 f l =100Hz ，带宽 B=f h - f l =800Hz -100Hz=700Hz 。

12. 基本概念 传输模式

13. 基本概念 通信模式

14. 数据通信理论基础 傅立叶分析 任何正常的周期为 T 的函数 f (t) ，都可以展开成多个、甚至无限个正弦和余弦函数。 在通信中的意义是：任何一个周期信号，无论它有多么复杂，总可以被分解为多个、甚至无限个简单信号。

15. 数据通信理论基础 尼奎斯特定理 当一个无噪音的带宽为 3K Hz 的信道传输二进制信号时，其最大数据传输速率（即比特率）不会超过 6000 bps 。 若信号包含八个离散级数，则： 最大数据传输速率 = 2× 3K ×log 2 8 bps = 6K ×3 bps = 18K bps 。 尼奎斯特定理用于计算理想信道（无噪音信道）的最大数据传输速率。 最大数据传输速率 = 2H log 2 V bps H ：信道带宽， V ：信号有效离散级数

16. 数据通信理论基础 香农公式 在实际情况下，由于信噪比的值太大，通常用分贝（ decibel ， dB ）来描述。分贝值与信噪比有如下的关系： dB = 10 log 10 S/N 在一条带宽为 3000Hz 、信噪比为 30dB 的信道中，信道上的最大传输率不超过 30Kbps 。其计算过程如下： 先求出信噪比 S/N ：由 30=10 log 10 S/N ，得 log 10 S/N = 3 ，所以 S/N=10 3 =1000 。 最大传输率 = H log 2 （ 1 ＋ S/N ） bps = 3000 log 2 （ 1 ＋ 1000 ） bps ≈3000×9.97 bps =299100 bps < 30Kbps 香农公式用于计算有噪声信道的最大数据传输率。 最大数据传输速率 = H log 2 （ 1 ＋ S/N ） bps H ：信道带宽， S/N ：信噪比

20. 传输媒介 双绞线的类别 类别 最大传输速度 应 用 1 类 2Mbit/s 模拟和数字语音 ( 电话 ) 通信以及低速的数据传输。 2 类 4Mbit/s 语音、 ISDN 和不超过的 4Mbit/s 的局域网数据传输。 3 类 16Mbit/s 不超过 16Mbit/s 的局域网数据传输。 4 类 20Mbit/s 不超过 20Mbit/s 的局域网数据传输。 5 类 100Mbit/s 100Mbit/s 距离 100 米的局域网数据传输。 E5 类 1000Mbit/s 1000Mbit/s 的局域网数据传输 6 类 2.4Gbit/s 1000Mbit/s 以上的的局域网数据传输。

24. 编码与传输 在进行数据通信时，必须将数据进行编码，转化为数字信号或模拟信号，以便于在信道上传输。 由于数据源可以是模拟数据，也可以是数字数据，所以共有四种编码方式。

25. 数字－数字编码 关键问题 直流分量：当传输信号的平均振幅不是零时，这将产生直流分量（频率为 0 的分量）。当信号含有直流分量，它不能由没有处理直流分量的媒体传输，例如微波或变压器。 同步：当一个信号不发生改变时，接受方无法知晓每比特的开始和结束。如果传输延时或噪声使信号发生扭曲，将导致接收方无法正确接收数据。

26. 数字－数字编码 常见类别 数字－数字编码是用数字信号来表示数字数据，在数字线路中传输。

34. 模拟－数字编码 模拟－数字编码是用数字信号来表示模拟数据，即模拟数据数字化。 既可用于模拟信号的数字传输，也可以用于模拟信号的数字处理（如数字化音频、数字化视频）。

36. 数字－模拟编码 数字－模拟编码是用模拟信号来表示数字数据。 一个正弦波（或余弦波）可由其三要素确定：振幅、频率和相位。当其中的任一要素改变时（相位改变不为周期的整数倍），其波形就会改变。利用模拟信号的波形变化，可以用来表示数字数据。

37. 数字－模拟编码 主要技术 在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承裁信息信号，这个基波称为载波信号或载波频率。 接收设备调整自己的接收频率与载波信号一致。 数字信息通过改变载波信号的一个或多个要素（振幅、频率和相位）被调制到载波信号上。载波信号的波形的改变称为移动键控（ Shift Keying ），调制后的信息信号称为调制信号。 根据载波信号要素的改变方式，数字－模拟编码主要技术有以下四种：

39. 数字－模拟编码 FSK （ Frequency Shift Keying ，频移键控） FSK 是通过改变信号的频率来表示二进制 0 、 1 的，而振幅和相位则保持不变。 在每个比特时延中信号的频率是一个常数。 由于噪声对频率的影响很小，故 FSK 的抗干扰性要比 ASK 强些，但由于 FSK 技术是通过改变频率来表示二进制的，因此 FSK 技术会受到介质带宽的影响。

41. 数字－模拟编码 星座表与星座图 星座表可以用列表的方式记录相移键控的相位值 。 星座图可以用坐标的方式记录相移键控的相位值 。 2-PSK 4-PSK

42. 数字－模拟编码 QAM （ Quadrature Amplitude Modulation ，正交调幅） 正交调幅 编码技术是将 幅移键控 和 相移键控 以某种方式结合起来的一种编码技术，以求得到更多的信号状态。

43. 模拟－模拟编码 模拟－模拟编码是用模拟信号来表示模拟数据。模拟－模拟通信的典型例子就是收听无线电台的无线电波信号。 使用模拟信号来传输模拟数据仍需要调制的主要原因有两个：一是为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率；二是通过调制就可以使用频分复用技术。 模拟数据的调制技术主要有三种：调幅（ Amplitude Modulation ， AM ）、调频（ Frequency Modulation ， FM ）以及调相（ Phase Modulation ， PM ）。

44. 多路复用 为了有效地利用传输系统，把多路信号放在同一个媒体上进行传输，就是多路复用。 多路复用技术主要有三种：

49. 同步控制 接收方为了能够正确读取发送方发出的数据，必须清楚数据帧发送的开始位置和结束位置，这就需要同步控制。 多路复用技术主要有三种：

50. 起停同步控制 字符逐一传输，并且传送一个字符时总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。 例如：

51. SYN 同步控制 一次传送由若干个字符组成的数据帧，而不是只传送一个字符。 采用 SYN 、 SOH 、 STX 、 ETX 等特殊字符进行同步控制。 如果被传送数据中包含同步控制使用特殊字符，需要进行转义，或者称为字符填充。 例如 IBM 公司的二进制同步传输协议 BSC ：

52. 标志同步控制 一次传送由任意比特组成的数据帧，而不是单个字符。 靠约定的比特组合模式标志帧的开始和结束。 如果被传送数据中包含同步控制使用的比特组合，需要进行比特填充以避免混淆。 例如 HDLC （ High Level Data Link Control ，高级数据链路控制） 。 8 位 8 位 8 位 >=0 位 16 位 8 位 01111110 A C I FC 01111110 开始标志 地址位 控制位 信息位 校验位 结束标志

53. 物理层编码违例同步控制 适用于那些在物理介质的编码策略中采用冗余技术的网络。 以特殊的非数据信号表示帧的开始和结束。 例如使用差分曼彻斯特编码的令牌环网。

54. 交换技术

55. 电路交换与存储转发 电路交换方式就是在两个站点之间建立一条专用的通信通路。优点是传输迅速、延迟稳定并且保持发送时的传输次序。缺点是线路利用率低。 存储转发交换不需要建立起物理的接续通路，而是以接力方式，数据报根据报头信息在网络节点之间逐段传送，直到目的节点。优点是线路利用率高。相对电路交换，传输速率低，延迟不稳定，而且不一定能保持发送时的次序。

56. 空分交换与时分交换 空分交换就是不同信号通路之间从物理上被分隔开（空间分隔）的交换。 时分交换实际上是时分多路复用（ TDM ）技术在交换系统的应用。

57. 报文交换与分组交换 报文交换中，报文完整地在网络中逐个节点地向前传送。 报文越大传输延迟越大，并且出错重传的代价越大。 分组交换中，发送节点将大的报文分割为若干个小的分组，再进行传输，接收方最后再重组报文。 与报文交换相比，分组交换的传输延迟相对较小，出错重传的代价相对较低。 与报文交换相比，分组交换增加了传输的开销。

58. 虚电路交换与数字报交换 在数据报交换中，每个分组被独立处理。 分组到达目的地的顺序可能和发送的顺序不一致，目的节点必须对收到的分组重新排序以恢复原来的信息。 难以进行流量控制和差错控制，因此传输的可靠性相对较低。 虚电路通信之前，要在发送节点和目的节点之间建立一条逻辑的数据转发信道。该信道是通过各中间节点交换机的路由表映射功能实现的，因此又称为虚电路。 与数据报交换相比，虽然增加了虚电路管理方面的工作，但每个分组无需单独进行路由计算，可以减少中间节点的处理时间。另外，虚电路交换方式能更方便地实现流量控制和差错控制。

59. 交换虚电路与永久虚电路 虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除，这叫做交换虚电路（ SVC ， Switched Virtual Circuit ），或呼叫虚电路。 在某些情况下，当网络节点对信息流量的控制较好且不拥挤时，可考虑采用永久虚电路（ PVC ， Permanent Virtual Circuit ）。永久虚电路即通信双方不管是否在通信，都永远存在一条虚电路，这种虚电路省去了虚呼叫和虚拆除的过程。

60. 几种交换方式的比较 方式特性 电路交换 报文交换 数据报分组交换 虚电路分组交换 传输通路性质 物理的 逻辑的 逻辑的 逻辑的 通路的可用性 专用的 共享的 共享的 共享的 数据传输单元 报文 报文 分组 分组 通路建立 要求呼叫建立 不要求建立 不要求建立 要求呼叫建立 通路的维持 通信期间维持 不维持 不维持 通信期间维持 节点存储 不要求 存储一个报文 存储一个分组 存储一个分组 节点时延 几乎无时延 报文存储转发时延 分组存储转发时延 分组存储转发时延 过荷适应性 有呼叫阻塞 增加报文时延 增加分组时延 有呼叫阻塞而且 增加分组时延 链路带宽利用 固定带宽占用 动态使用 动态使用 动态使用

61. 流量控制 流量控制技术是用来限制发送方发送的数据流量，使其发送速率不要超过接收方的接收处理速率，以免“淹没”接收方的一种技术。 流量控制方案的基本原理都是相同的，比如限制发送方何时发送下一数据，在未获得接收方允许前，禁止发送数据等。 通常，接收方都会维护一个一定大小的缓冲区，当有数据到来时，接收方一般先把数据缓存起来，然后进行处理，处理完后清除缓冲区，开始接收下一批数据。 常见的流量控制协议有停等协议和滑动窗口协议。 停等协议在传输延迟比较大时，显得性能比较低。采用滑动窗口协议可以在保证接收方不被“淹没”的前提下，尽可能提高传输的效率。

62. 滑动窗口协议 滑动窗口协议与停等协议的不同是它允许连续发送多个数据帧而无需等待应答。其实现原理是：对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送；同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接收。 通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制，就象通过阀门控制水流速度一样。

63. 差错控制

64. 奇偶校验码 奇偶检验通过增加一位校验位来使编码中 1 的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验）。这种方法简单实用，但只能检查出奇数个错误。 偶校验 奇校验 信息字段 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 信息字段 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1

65. 海明码 海明距离 一个编码系统中任意两个合法编码（码字）之间不同的二进数位（ bit ）的个数叫这两个码字的海明距离（ Hamming Distance ），也叫做码距。 例如， ASCII 码中“ 1” 的码字为 0110001 ，“ 2” 的码字为 0110010 ，“ 3” 的码字为 0110011 ，则“ 1” 与“ 2” 之间的海明距离为 2 ，“ 1” 与“ 3” 之间的海明距离为 1 ，“ 2” 与“ 3” 之间的海明距离为 1 。 整个编码系统中任意两个码字的最小距离就是该编码系统的海明距离。以 ASCII 码为例，虽然“ 1” 与“ 2” 之间的海明距离为 2 ，但“ 1” 与“ 3” 之间的海明距离为 1 ，按最小距离取值，得知 ASCII 码的海明距离为 1 。

66. 海明码 海明距离的纠错原理 若海明距离 d 为奇数，如果传输中发生错误，只要每个编码的错误位数不超过 d ，则必定不是个有效的编码，接收方就可以将其识别出来。因此对于编码系统来说， d 位的海明距离则可以发现（ d-1 ）位错。 ASCII 码的海明距离为 1 ，意味着 ASCII 码不具备发现错误的能力。 当编码发生错误时，接收方可以对编码系统进行对比，寻找与错误编码最贴近（海明距离最小）的一个编码，只要编码中的错误位数不超过 abs((d-1)/2) 时（ abs 为取绝对值函数），与错误编码最贴近的那个编码就是错误编码对应的原始编码。这就是海明距离的纠错原理。

67. 海明码 海明码的纠错能力 海明码将信息用逻辑形式编码，在 m 个数据位之间插入 r 个校验位，每一个校验位被编在传输码字的特定位置上，全部传输码字由原来的信息和附加的校验位组成。 海明码要采用这种码字能够纠正所有的单个错误。 如果一个帧包含 m 个数据位和 r 个校验位，则帧的总长度 n=m+r 。 在编码系统中总共有 2 n 个码字，其中有效码字只有 2 m 个。要保证有效报文各对应 n 个无效的码字，它们与该报文的距离为 1 。这些无效的码字可以由有效码字的 n 位逐位分别取反所得到的，从而每个有效的码字都应该对应有 n+1 个码字（ n 个无效码字 +1 个有效码字）。 为了使编码系统能够纠正单个错误，必须有 2 n ≥(n+1 ） 2 m 。由 n=m+r 可以得出校验位数目必须满足 2 r ≥(m+r+1) 。

68. 海明码 海明码的编码规则 设 r 个校验位为 P r P r-1 ···P 1 ， m 个数据位为 D m D m-1 ···D 1 ，海明码为 H r+m H r+m-1 ···H 1 ，则有： P i 在海明码的第 2 i-1 位置，也即 H j =P i ， j=2 i-1 ，数据位则依序从低到高占据海明码中剩下的位置。 例如，对于 8 位数据位进行海明校验，根据公式需要 4 位校验位。海明码的生成方法如下表所示，其中，检验位在表格中用蓝色背景标示。 H 12 H 11 H 10 H 9 H 8 H 7 H 6 H 5 H 4 H 3 H 2 H 1 D 8 D 7 D 6 D 5 P 4 D 4 D 3 D 2 P 3 D 3 P 2 P 1

69. 海明码 海明码的校验关系 海明码 下标 对应关系 P 4 P 3 P 2 P 1 校验位组 H 1 （ P 1 ） 1 0 0 0 1 P 1 H 2 （ P 2 ） 2 0 0 1 0 P 2 H 3 （ D 1 ） 3=1+2 0 0 1 1 P 1 ， P 2 H 4 （ P 3 ） 4 0 1 0 0 P 3 H 5 （ D 2 ） 5=1+4 0 1 0 1 P 1 ， P 3 H 6 （ D 3 ） 6=2+4 0 1 1 0 P 2 ， P 3 H 7 （ D 4 ） 7=1+2+4 0 1 1 1 P 1 ， P 2 ， P 3 H 8 （ P 4 ） 8 1 0 0 0 P 4 H 9 （ D 5 ） 9=1+8 1 0 0 1 P 1 ， P 4 H 10 （ D 6 ） 10=2+8 1 0 1 0 P 2 ， P 4 H 11 （ D 7 ） 11=1+2+8 1 0 1 1 P 1 ， P 2 ， P 4 H 12 （ D 8 ） 12=4+8 1 1 0 0 P 3 ， P 4

70. 海明码 海明码的校验公式

71. 海明码 海明码的纠错过程 按照海明码的原理，当码字中出现一位错误时，海明码能够进行识别和纠错。 海明码的纠错也需要计算检验 4 个公式，如果发现有一个公式的计算结果不为 0 ，则说明该公式中的某一个位存在错误；如果计算结果为 0 ，则说明该公式内的位没有错误。 找到一个位，它存在于每个计算结果为１的公式，但又不存在于每个计算结果为 0 的公式，将该位反向，就完成了纠错过程。

72. CRC 码 生成多项式 CRC （ Cyclic Redundancy Code ，循环冗余码）又称为多项式码（ Polynomial Code ），它是一种基于模 2 运算的校验码，其检错能力非常强，并且容易采用硬件电路实现。 CRC 编码的基本思想将位串看成系数为 0 或 1 的多项式。一个 n 位的帧被看成是 n-1 次多项式的系数列表。最左边是 x n-1 项的系数，接着是 x n-2 项的系数，依此类推，直到 X 0 项的系数。 例如：多项式 x 4 +x+1 相当于 1*x 4 +0*x 3 +0*x 2 +1*x 1 +1* x 0 ，因此其对应的二进制串为 10011 。

73. CRC 码 计算方法 CRC 编码通过模 2 运算来建立有效信息和校验位之间的约定关系。模 2 运算相当于异或运算。 计算 CRC 编码前，发送方和接收方必须事先约定一个生成多项式 G(x) ，生成多项式的最高位和最低位都是 1 。例如： x 4 +x+1 是一个 4 阶的生成多项式。 CRC 算法的思路是将校验和加在被校验数据帧的末尾，使得这个带校验和的帧的对应多项式 M(x) 可以被生成多项式 G(x) 除尽。接收方收到这个带校验和的帧后，如果发觉无法被 G(x) 除尽，则说明数据出错。

74. CRC 码 示例 计算得到 CRC 校验码为 0100 。

75. CRC 码 校验能力 主要的 CRC 生成多项式有： CRC-12 ： G(x)=x 12 + x 11 + x 3 + x 2 + x + 1 CRC-16 ： G(x)=x 16 + x 15 + x 2 + 1 CRC-CCITT ： G(x)=x 16 + x 12 + x 5 + 1 CRC-32 ： G(x)=x 32 +x 26 +x 23 +x 22 +x 16 +x 12 +x 11 +x 10 +x 8 +x 7 +x 5 +x 4 +x 2 +x+1 CRC 的检错能力很强，以 CRC-16 或 CRC-CCITT 为例，它可以捕捉到所有的单位错误和双位错误、所有的奇数位数的差错、所有长度小于或等于 16 位的突发差错、 99.997 ％的长度为 17 位的突发错误以及 99.998 ％的长度为 18 位或多于 18 位的突发错误。

76. 差错控制 ARQ （ Automatic Repeat Request ，自动请求重发方式） ARQ 的工作原理是：发送方对所发送的序列进行差错编码，接收方根据检验序列的编码规则判断有无错误。若发现错误，则利用反向信道要求发送方重发出错的信息，直至接收方检验无误为止，从而达到纠正差错的目的。 常用的三种形式的 ARQ 协议分别为停等 ARQ 协议，后退 N 帧 ARQ 协议和选择重传 ARQ 协议。

77. 差错控制 FEC （ Forward Error Correct ，前向纠错方式） FEC 的工作原理是：发送方将信息编成具有检错和纠错能力的码字并发送出去，接收方对收到的码字进行译码，译码时不但能发现错误，而且可以自动进行错误纠正。 FEC 不需要反馈通道，特别适合只能提供单向信道的场合，特点是时延小，实时性好，但系统复杂。

78. 差错控制 HEC （ Hybrid Error Correct ，混合纠错方式） HEC 工作原理是：发送方发送具有一定纠错能力的码字，接收方对所收到的数据进行检测。若发现错误，就对少量的、能纠正的错误进行纠正，而对于超过纠错能力差错通过反馈重发方式予以纠正。 HEC 在某种程度上弥补了反馈重发和前向纠错的缺点。

79. 网络设备

80. 网络设备

81. 中继器 中继器 (Repeater) 最简单的互连设备。它工作在 OSI 模型的物理层，用于扩展 LAN 网段的长度，延伸信号传输的范围，例如可加大线缆的传输距离。 中继器的工作就是重发 bit ，将所收到的 bit 信号进行再生和还原并传给每个与之相连的网段。 中断器是一个没有鉴别能力的设备，它会精确的再生所收到的 bit 信号包括错误信息，而且再生后传给每个与之相连网段，不管目的计算机是否在该网段上。但是，中继器的速度很快且时延很小。

82. 集线器 集线器 (Hub) 其实是一个具有多个端口的中继器。它可以集中网络连接，可以重发 bit 信号。 最常用的集线器是连接以太网中计算机的集线器，线缆从单个节点的 NIC 连接到中心集线器。一般 8~24 个端口。 其他类型的集线器包括用于令牌环网络的多站接入单元等。

83. 中继器和集线器

84. 网卡、网桥和交换机 网卡可以将计算机连接到网络上，网卡的接口要与传输介质相匹配。网卡驱动程序用于向操作系统提供网卡的使用接口。 网桥是工作在数据链路层的软件或硬件设备，它基于 MAC 地址进行数据帧处理，具有转发能力和数据帧格式转换能力。网桥是一种存储转发设备，能将一个较大的 LAN 分割为多个网段，或将两个以上的 LAN 互连为一个逻辑 LAN 。 交换机也是工作在数据链路层的网络设备。一般情况下可以将交换机与网桥等同看待。网桥既可以是软件，也可以是硬件设备；交换机只能是硬件设备。网桥可以只有两个端口，而交换机一般有四个以上端口。网桥概念突出其协议转换功能，交换机则突出其数据帧转发功能。

85. 网关和路由器 网关是工作在网络层和网络层以上的软件或硬件，具有协议转换功能。网络层网关还具有路由功能。网关通常被视为具有协议转换功能的软件或硬件设备的一种抽象。 路由器通常也被称为网关。但路由器只工作在网络层，一般指具体的硬件设备。路由器除了具有协议转换功能和路由功能之外，生产厂商通常还提供网络管理、计费和防火墙等附加功能。

86. 02- 通信基础 END