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  • 数据通信运维

    千次阅读 2018-11-27 23:08:01
    摘要 从网元管理、拓扑管理、故障管理、资源管理、性能管理、网流采集分析、网络业务管理7个方面对数据通信网络的运行、维护、管理作了简要论述。   关键词 数据通信 DMS VPN Manager 网络管理 运维   ...

    摘要 从网元管理、拓扑管理、故障管理、资源管理、性能管理、网流采集分析、网络业务管理7个方面对数据通信网络的运行、维护、管理作了简要论述。

     

    关键词 数据通信 DMS VPN Manager 网络管理 运维

     

      随着IP技术的进步,数据通信网络得到迅速发展。在NGN/3G时代,IP承载网的地位非常重要,因此怎样有效管理数据通信网络是运维工作中必须研究的一个重要课题。

     

      铁通数据通信网络采用了NE80、S8016、MA5200、S8505等设备,除了传统登录设备的维护方式外,必须借助有效的工具来提升运维效率。

     

      本文从网元管理、拓扑管理、故障管理、资源管理、性能管理、网流采集分析、网络业务管理7个方面对数据通信网络的运维管理作一简介。

     

    1、网元管理

     

      网元是电信管理网(TMN)体系结构中的基本管理元素,在数据通信网络中一般指路由器、交换机等设备。

     

      网元网管是最“简单”的网管,提供远程设备管理的基本功能。维护人员通过它可以查看设备面板、端口状态以及一些协议数据,并可以进行VLan配置、接口shutdown、undo shutdown等基本操作。部分网元网管软件还提供短周期的性能监视功能,可以对设备、接口等进行监控,监控结果采用直方图、折线图等形式输出。使维护人员可以了解IP、TCP、UDP、ICMP等报文的情况,并可以掌握接口带宽利用率、接收包错误率等信息。

     

      需要注意的是,此类性能监控虽可以实时输出,但是其总体监控周期比较短,不能适应大规模网络性能管理的要求。

     

    2、拓扑管理

     

      随着网络规模的发展,网络结构日益复杂,维护人员需要一个拓扑管理系统,用以准确掌握网络拓扑情况。

     

      拓扑管理用于构造并管理整个网络的拓扑结构,维护人员通过浏览网络拓扑视图,实时了解整个网络的运行情况。

     

      在小型的网络中构建一个拓扑图形就可以浏览网络的全貌,但在网络设备大量增加之后网络结构异常复杂,使用一张拓扑图查看网络已经不具有现实意义。此时就需要划分多个区域进行拓扑管理,比如按照不同地区将设备划分到不同子图中。

     

      华为公司的数据管理系统(DMS)不仅提供了按照地域划分网络的物理视图,还提供了按照IP网段划分网络的IP视图。物理视图和IP视图是两个相对独立的拓扑视图,给管理网络提供了不同的视角。

     

      根据不同的管理需求,利用拓扑视图缩放、拓扑视图自动布局、拓扑过滤等功能,可使网络维护化繁为简。{{分页}}

     

    3、故障管理

     

      对网络紧急故障的处理是网络运维人员的一个重要工作,而及时发现故障是保证该工作有效开展的前提。应用DMS可以有效感知故障。并协助进行故障定位。

     

      DMS故障管理包括告警管理和SysLog管理两部分。

     

    3.1 告警管理

     

      普通的告警管理是网管接收到设备发来的Trap报文产生告警,但是在网络有丢包或者设备上行接口down的情况下,网管服务器有可能接收不到Trap报文。如果出现这种情况就会导致维护人员因不能及时收到告警而延误了恢复故障的最佳时间。

     

      DMS针对此情况,将拓扑功能与告警功能结合,并提供了snmp轮巡和ping轮巡的工作方式,在收不到Trap报文时也能保证及时发现故障源。

     

      告警管理主要功能包括:对告警信息和运行信息进行实时监控、查询设备的历史告警信息和运行信息、查询和配置设备的告警信息等。

     

    3.2 SysLog管理

     

      SysLog管理提供了通过网管来查看SysLog信息的途径,简单、便捷。它可以长时间保存设备日志信息,避免因为设备缓冲区不够大而导致重要日志信息遗失。

     

    4、资源管理

     

      在大规模IP网络中,组网结构复杂、设备数量繁多。网络运维人员需要掌握网络中的设备(如网络中设备、单板、子卡、端口、接口、链路等)资源的基本情况,以及网络中的异常资源信息。网管系统的资源管理功能可以帮助完成该工作,并可将网络中的资源数据直接导出为html、txt、csv格式的文档,便于维护管理网络资源。

     

    5、网络性能管理

     

      若要更好地管理和改善网络的运行,网络运维人员还需掌握网络的流量以及其他一些性能指标,并能对该指标进行长时间监控分析,做到提前预防,防患未然。专业的网络性能管理工具可以协助做到这点。

     

      DMS-IP网络性能管理器和TrafficView是网络运维人员常用的工具,其中TrafficView相对简单,这里不作介绍。

     

      DMS-IP网络性能管理器可对大规模IP网络性能进行监控。其主要实现对设备、单板的CPU占用率、内存占用率性能指标的采集,对链路、接口的流入/流出流量、流入/流出带宽利用率性能指标的采集,对设备间的时延、抖动、丢包率性能指标的采集。其相关采集信息可通过报表系统进行输出。 {{分页}}

     

      运维人员可以在网络上部署多个网状、星状甚至点到点的测试点(网络性能采集、测试的基准点,一般是一台设备)用来进行性能数据的采集分析,如图1所示。

     

     

     

    图1 网络性能管理器示意图

     

      通过IP网络性能管理,运维人员能够通过查看性能数据、图像等,了解网络的运营情况。此外还可以设置性能数据的阈值,当性能数据越限时,可以提醒维护人员查看网络状况、及时进行调整。以避免问题的发生。

     

    6、网络流量采集分析工具

     

      在网络运维中,有时候需要了解哪些用户访问外部网络比较频繁、哪些网段之间互访频繁、哪些网站向外部提供了大量的数据服务,以及某种类型流量异常等信息,可使用网流采集、分析工具实现该功能。

     

      所谓网流(NetStream),是一个特定的源设备到一个特定的目的设备的单向包序列,它是由若干关键字标识的一系列IP数据包组成的。关键字包括了源地址、目标地址、源端口、目的端口、协议类型等。这些关键字是对网络流量分析的依据。如振荡播病毒的NetStream流数据典型特征为:目的端口445,协议类型TCP,字节数48。

     

      通过对网流的采集和分析,可以为运维中的流量工程分析、网络设计优化、网络安全监控等方面提供支撑。

     

    7、网络业务管理

     

      IP网络技术发展日新月异。MPLS VPN技术日益成为时代的新宠,这也对运维工作提出更高的要求。 {{分页}}

     

      MPLS VPN的网络维护涉及到客户管理、VPN业务管理、网络管理等工作。传统人工管理容易造成配置出错,一旦出现配置错误也很难察觉,并且难于进行业务监控和故障定位。不能有效地管理VPN客户,管理效率低,不能满足日益增长的业务需求。

     

      华为VPN Manager业务管理系统可以实现从MPLS VPN业务规划到业务部署、业务审计、业务保障,以及业务拆除的全流程工作,有效降低MPLS VPN业务管理的复杂度,使运维效率得到质的提升。

     

    8、总结

     

      总而言之,数据通信网络运维工作并不需要非常高深的理论知识背景,只要采用合适的方法、有效的网络管理工具,都可以及时掌握网络资源、网络异常、网络性能、网流情况,以及业务部署等实用信息,通过这些信息可以大大提升网络管理的效率。

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  • 数据通信协议 Data communication protocol 亦称数据通信控制协议。是为保证数据通信网中通信双方能有效,可靠通信而规定的一系列约定。这些约定包括数据的格式,顺序和速率,数据传输的确认或拒收,差错检测,重传...
    数据通信协议 Data communication protocol 亦称数据通信控制协议。是为保证数据通信网中通信双方能有效,可靠通信而规定的一系列约定。这些约定包括数据的格式,顺序和速率,数据传输的确认或拒收,差错检测,重传控制和询问等操作。数据通信协议分两类:一类称为基本型通信控制协议,用于以字符为基本单位的数据传输,如BSC协议(二进制同步同步通信协议);另一类称为高级键路控制协议,用于以比特为基本单位的数据传输,如HDLC(高级数据键路控制协议)和SDLC(同步数据键路控制协议)。
    基本型协议使用于简单的低速通信系统,传输速度一般不超过9600bps,通信为异步/同步半双工方式.超错控制为方针码效验。高级键路控制协议采用统一的帧格式,可靠性高,效率高,透明性高,广泛用于公用数据网和计算机网。传输速率一般在2.4kbps到64kbps,通信为同步全双工方式连续发送,差错控制为循环冗余码效验。实际上,通信协议一般分成互相独立的若干层次。按ISO的OSI七层参考模型功用数据网的数据通信协议主要涉及前三层,即物理层.数据链路层和网络层。例如,流行的分组交换网常以CCITT建议的X.25协议作为通信协议的基础部分。
    常用的三个网络协议
    网络中不同的工作站,服务器之间能传输数据,源于协议的存在。随着网络的发展,不同
    的开发商开发了不同的通信方式。为了使通信成功可靠,网络中的所有主机都必须使用同
    一语言,不能带有方言。因而必须开发严格的标准定义主机之间的每个包中每个字中的每
    一位。这些标准来自于多个组织的努力,约定好通用的通信方式,即协议。这些都使通信
    更容易。
    已经开发了许多协议,但是只有少数被保留了下来。那些协议的淘汰有多中原因---设
    计不好、实现不好或缺乏支持。而那些保留下来的协议经历了时间的考验并成为有效的通
    信方法。当今局域网中最常见的三个协议是MICROSOFT的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和交叉
    平台TCP/IP。

    一:NETBEUI
    NETBEUI是为IBM开发的非路由协议,用于携带NETBIOS通信。NETBEUI缺乏路由和网络
    层寻址功能,既是其最大的优点,也是其最大的缺点。因为它不需要附加的网络地址和网
    络层头尾,所以很快并很有效且适用于只有单个网络或整个环境都桥接起来的小工作组环
    境。
    因为不支持路由,所以NETBEUI永远不会成为企业网络的主要协议。NETBEUI帧中唯一
    的地址是数据链路层媒体访问控制(MAC)地址,该地址标识了网卡但没有标识网络。路由
    器靠网络地址将帧转发到最终目的地,而NETBEUI帧完全缺乏该信息。
    网桥负责按照数据链路层地址在网络之间转发通信,但是有很多缺点。因为所有的广
    播通信都必须转发到每个网络中,所以网桥的扩展性不好。NETBEUI特别包括了广播通信的
    记数并依赖它解决命名冲突。一般而言,桥接NETBEUI网络很少超过100台主机。
    近年来依赖于第二层交换器的网络变得更为普遍。完全的转换环境降低了网络的利用
    率,尽管广播仍然转发到网络中的每台主机。事实上,联合使用100-BASE-T Ethernet,允
    许转换NetBIOS网络扩展到350台主机,才能避免广播通信成为严重的问题。

    二:IPX/SPX
    IPX是NOVELL用于NETWARE客户端/服务器的协议群组,避免了NETBEUI的弱点。但是,
    带来了新的不同弱点。
    IPX具有完全的路由能力,可用于大型企业网。它包括32位网络地址,在单个环境中允
    许有许多路由网络。
    IPX的可扩展性受到其高层广播通信和高开销的限制。服务广告协议(Service Adver
    tising Protocol,SAP)将路由网络中的主机数限制为几千。尽管SAP的局限性已经被智能路
    由器和服务器配置所克服,但是,大规模IPX网络的管理员仍是非常困难的工作。

    三:TCP/IP

    每种网络协议都有自己的优点,但是只有TCP/IP允许与Internet完全的连接。TCP/IP
    是在60年代由麻省理工学院和一些商业组织为美国国防部开发的,即便遭到核攻击而破坏
    了大部分网络,TCP/IP仍然能够维持有效的通信。ARPANET就是由基于协议开发的,并发展
    成为作为科学家和工程师交流媒体的Internet。
    TCP/IP同时具备了可扩展性和可靠性的需求。不幸的是牺牲了速度和效率(可是:TCP
    /IP的开发受到了政府的资助)。
    Internet公用化以后,人们开始发现全球网的强大功能。Internet的普遍性是TCP/IP
    至今仍然使用的原因。常常在没有意识到的情况下,用户就在自己的PC上安装了TCP/IP栈
    ,从而使该网络协议在全球应用最广。
    TCP/IP的32位寻址功能方案不足以支持即将加入Internet的主机和网络数。因而可能
    代替当前实现的标准是IPv6。
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  • 数据通信模型

    千次阅读 2014-05-14 16:43:21
    因为数据通信的发生,通信设备必然成为由软(程序)硬(物理设备)件结合组成的通信系统的一部分。数据通信系统的效率取决于四个关键因素:传递性、准确性、及时性和抖动性。 1.传递性。系统必须将数据传递到正确的目的...

    数据通信

    数据通信(data communication) 是在两台设备之间通过诸如线缆的某种形式的传输介质进行的数据交换。因为数据通信的发生,通信设备必然成为由软(程序)硬(物理设备)件结合组成的通信系统的一部分。数据通信系统的效率取决于四个关键因素:传递性、准确性、及时性和抖动性。

    1.传递性。系统必须将数据传递到正确的目的地。数据必须由而且只能由预定的设备或用户接收。


    2. 准确性。系统必须准确地传递数据。在传递过程中发生改变和不正确的数据都是不可用的。


    3. 及时性。系统必须以及时的方式传递数据。传递延误的数据是无用的。就视频和音频数据而言,及时传递意味着在数据产生时就传递数据,所传递数据的顺序和产生时的顺序相同,而且没有明显的延迟。这种传递称为实时传输。


    4. 抖动性。抖动是指分组到达时间的变化,音频或视频的分组在传递过程中延迟各不相同。比如,假定每30ms发送一个视频的分组,其中某些分组到达延时30ms ,而另一些分组延时40ms 引起视频不均匀后果。

    数据通信系统需要有五个组成部分,如图




    报文(message) 是进行通信的信息(数据) ,它可以是文本、数字、图片、声音、视频等信息形式。

    发送方(sender) 是指发送数据报文的设备,它可以是计算机、工作站、手机、摄像机等。

    接收方(receiver) 是指接收报文的设备,它可以是计算机、工作站、手机、电视等。

    传输介质(transmission medium) 是报文从发送方到接收方之间所经过的物理通路,它可以是双绞线、同轴电缆、光纤和无线电波。

    协议(protocol) 是管理数据通信的一组规则,它表示通信设备之间的一组约定。如果没有协议,即使两台设备之间可能是连接的,那也无怯通信,就像一个说陆语的人无陆被一个只说日语的人理解一样。再正式一点的说法是,两者通信的时候交换的报文的格式和次序,以及在接收或者发送报文,或者其他事情时候,采取的动作。





    数据表示

    数据表示:现在的信息有文本、数字、图像、音频和视频等多种形式。
    文本
    在数据通信中,文本表示为位模式,即位(0 或1 )序列。模式中位的数目取决于该文本中的符号数目。每一种位模式称为一组编码(code) ,表示符号的过程称为编码过程。当前流行的编码系统是统一码(Unicode) ,用32 位表示一个符号或字符,它可表示世界上任何一种语言。几十年前,美国还制定的美国信息交换标准代码( ASCII) 

    数字
    数字也用位模式表示。但诸如ASCII 的编码不是用来表示数字的。数字直接转换为二进制数。原因在于简化数字的数学运算。

    图像
    现在,图像(image) 也采用位模式表示。就最简单的形式而言,图像被划分成像素(图片的基本元素)矩阵,每个像素是一个小点。像素的大小取决于称为分辨率的因素。例如,一幅图像可以划分成1000 像素或10000 像素,后一种有更清晰的图像表示(更高分辨率) ,但需要更多的内存来存储图像。将图像划分成像素,对每个像素分配一个位模式。模式的大小和值取决于该图像,就一幅仅由黑白点(例如棋盘)构成的图像而言, 1 位模式就足以表示一个像素。如果像素不是由纯白或纯黑的像素构成,则可通过增加位模式的大小来包含更多的灰度范围。例如,可以采用2 位模式来表示4 个级别的灰度。黑像素可以用00 表示,深灰像素用。1 ,浅灰像素用10 ,国像素用11 来表示制。


    音频
    音频(audio) 是指录音带、声音广播或音乐等声音的表示。音频与文本、数字或图像有本质的不同。它是连续的、非离散的。即使用麦克风将声音或音乐转换成电信号,所产生的也是一个连续的信号。


    视频
    视频( video) 是指录像带、图像或动画的合成既可以由一个连续实体(例如电视摄像机)产生,也可以由一组图像或动画合成。这些图像的每一幅都是一个离散的实体,组织起来即可表示运动的意思。


    数据流
    两台设备之间的通信可以是单工、半双工或全双工的,如图



    单工
    在单工模式(simplex mode) 下,通信是单方向的,如同在单行道上,两台设备只有一台能够发送,另一台则只能接收
    键盘和传统的显示器都是单工通信设备。键盘只能用来输入,显示器只能接受输出。单工模式仅具有一个方向发送能力。

    半双工
    在半双工模式(half-duplex mode) 下,每台主机均能发送和接收,但不能同时进行。当一台设备发送时,另一台只能接收,反之亦然,半双工如同一条双向单车道的道路。当一辆辆汽车正朝一个方向行驶时,想朝另一个方向行驶的汽车就必须等待。在半双工模式下,通道的通信能力被两台设备中的发送方完全占用。对讲机是半双工系统的例子。半双工模式用于不需要双方同时通信的情况,每一方可利用整个通道的能力。

    全双工
    在全双工模式(full-duplex mode) ,双方主机都能同时发送和接收

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  • 第二章 数据通信基础

    千次阅读 多人点赞 2018-07-13 13:18:49
    本章主要内容2.1 数据通信基础知识2.2 传输媒体2.3 编码和复用2.4 交换技术2.5 数字传输技术2.6 接入网2.7 物理层概述2.8 小结2.1 数据通信基础知识数据(Data):运送(携带)信息的实体信息(Information):是数据的内容...

    本章主要内容

    2.1 数据通信基础知识

    2.2 传输媒体

    2.3 编码和复用

    2.4 交换技术

    2.5 数字传输技术

    2.6 接入网

    2.7 物理层概述

    2.8 小结

    2.1 数据通信基础知识

    • 数据(Data):运送(携带)信息的实体
    • 信息(Information):是数据的内容或含义
    • 信号(Signal):数据的电气或者电磁表现(数据以信号的形式传播)
    • 信息通过通信系统传输

        把携带信息数据用物理信号形式通过介质传送到目的地

        注意:信息、数据(如:0,1比特)不能直接在介质上传输。

    • 数据通信系统模型
    通信的三个要素:信源、信宿和信道

    任何一个通信系统都可以抽象为以下模型:


    信源:将各种信号转化成原始电信号

    发送器:生成合适在信道中传输的信号

    信道:传送信号的物理传输媒体

    接收器:从收到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号

    信宿:将电信号还原为相应的信息


    数据通信系统的构成:

    传输系统(传输线路和传输设备)

    源系统(信源+发送器)和目的系统(信宿+接收器)



    终端复合了发送方和接收方的功能(如果图中终端是智能的,就可称为"端系统")。大型通信系统中单一信道演变为复杂的交换网络。

    • 数字:泛指一切可数的信息
    • 模拟:只能通过比较技巧进行区分的不可数信息
    • 数字数据:由可数的信息元素所组成。可数的信息有一个最小的分阶单位,元素与元素之间不存在任何分阶状态。
    • 模拟数据:由不可数的信息元素组成。不可数的信息元素不分阶,元素与元素之间可以存在无限多种中间状态。
    • 模拟信号:信号的参量取值连续,包含无穷多个值。信号强度变化是平滑的。
    • 数字信号:信号的参量取值是离散、有限种。一个时间段,信号强度保持某个常量值,下一个时间段有变化到另一个常量值。


    • 模拟传输和数字传输

    不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输由4种组合数据:



    • 模拟通信系统

    模拟通信系统是传送模拟信号的通信系统。可简化为:


    调制:调制为适合信道传输的信号形式。

    解调:将调制过的信号还原

    • 数字通信系统

    数字通信系统是传送数字信号的通信系统。可简化为:

    编码器:模拟信号数字化、数据压缩、加密编码、插空编码

    调制:数字基带信号->频带信号

    解调:频带信号->数字基带信号

    解码:依据发送方的编码顺序,依次进行解码

    • 数字信号的传输方式

    按是否调制划分:

    数字信号的基带传输 没有调制

    数字信号的频带传输 有调制

    数字信号的基带传输

    信源(编码)所输出的数字基带信号,不经过数字调制(频谱搬移),只经过简单码型变换后进行传输,称为数字信号的基带传输。基带信号->码型变换->(还是)基带信号

    数字信号的频带传输

    对数字基带信号进行数字调制(就是用调制信号对载波波形的某些参量进行控制,使这些参量随调制信号变化,经过调制的信号称为已调信号。(数字调制中,调制信号为数字基带信号。))后再传输,称为频带传输。

    什么是载波?

    是可以用来载送数据的信号;一般采用高频正弦波作为载波。

    • 数字调制


    1)幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)

    2)频移键控FSK(Frequency Shift keying)

    3)相移键控PSK(Phase Shift Keying)

    基本原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制。

       

    调制就是要使载波的这三个参量随数字基带信号的变化而变化



    • 数字数据的传输方式

    数字信号的基带传输

    信源编码所输出的数字信号,不经过数字调制(频谱搬移),只经过简单码型变换后进行传输,称为数字信号的基带传输。

    数字信号的频带传输

    对基带信号进行数字调制后再传输,称为频带传输。

    什么是码型变换?

    通过码型变换电路,将一种码型变换为另一种码型,针对不同的编码方案,表示数字数据的码元的形式不同。例如:不归零(NRZ)编码、不归零反转(NRZI)编码、归零(RZ)编码、曼彻斯特编码(Manchester)和差分曼彻斯特编码等。

    • 码型变换

    不归零码(Non-Return to Zero,NRZ)

    二进制数字0、1分别用两种电平表示。

    缺点:难以分辨一位的结束和另一位的开始;发送方和接收方必须有时钟同步;

    问题1---基线漂移:连串的0或1

    问题2---时钟恢复:从收到的信号中得到时钟

    解决为题1、2---曼彻斯特编码:通过传输NRZ编码数据与时钟的异或合并了时钟和信号。


    • 曼彻斯特编码(Manchester code)

    优点:

    克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据,又可作为时钟,能够自同步。

    因此,曼彻斯特编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。

    缺点:

    观察上图:"1"码用"10"两位码表示,"0"码用"01"两位码表示。信号跳变速率加倍,信号速率是数据速率的2倍,效率仅为50%。

    • 数字数据的传输方式

    两个结点之间逻辑上交换的是比特流,而实际上是两结点经过传输媒体交换信号流


    • 信道的极限容量

    信道的最高码元传输速率

    信道的极限数据传输速率

    • 信道的最高码元传输速率

    码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元。如二进制编码,1个码元含一个比特;四进制编码,1个码元含2个比特。

    信号传输速率:是指每秒钟传送的信号数量(码元数)。又称码元传输速率,也称调制速率。单位为码元/秒,即波特(Baud)

    数据传输速率:是指每秒钟传输的二进制位数。又称比特率或位率。单位为比特/秒(bit/s=b/s=bps)。


    波特(Baud):码元传输速率的单位。

    1波特为每秒传送1个码元。

    码元传输速率与数据传输速率的关系


    M是为数字传输系统中的码元状态数或离散级数,即M进制数。


    即使是理想的无噪声信道,它的传输能力也是有限的。

    奈奎斯特(Henry Nyquist),就认识到了这个限制的存在,并推导出公式,用来推算无噪声的有限带宽信道的最大数据率;

    香农(Claude Shannon)把奈奎斯特的工作进一步扩展到了信道受随机噪声干扰的情况。


    Nyquist公式:(无噪声信道估算的依据)

    - 理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud

    即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。

    - 理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud

    即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。


    可以看出,通过提高编码级数M,一个码元中可以传送更多比特(bit),从而在信道不变的情况下提高数据传输速率。

    - 奈式公示指出了:码元传输的速率是受限的,不能任意提高,否则在接收端就无法正确判定码元之间的边界(因为有码间串扰)。Nyquist公式为估算已知带宽的信道的最高码元传输速率提供了依据。

    - 奈式公式给出的是个理论上限数值,一个实际的信道所能传输的最高码元速率要明显地低于这个值。

    - 奈式公式并没有对数据传输速率(b/s)给出限制。要提高数据传输速率,必须设法提高每码元携带的比特信息量,即多元制调制。

    请注意:

    - 奈式准则考虑了无噪声的理想信道,特定指出:当所有其他条件相同时,信道带宽加倍则数据传输效率也加倍。

    - 但是,对于有噪声的信道,情况将会迅速变坏。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,则每个比特占用的时间就会变"短",因而噪声会影响到更过比特,则误信率就越大。

    - 所以,对于有噪声的信道,我们希望通过增加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。

    • 信噪比

    噪声会使接收端对码元的判断产生错误(1判决为0,0判决为1)。但是噪声的影响是相对的。如果信号相对较强,那么噪声的影响就相对较小。

    信噪比就是信号平均功率与噪声平均功率的之比,常记为S/N;


    信道的极限数据传输速率

    信道的极限数据传输速率可表示为


    其中:W为信道的带宽(以Hz为单位);

              S为信道内所传信号的平均功率;

              N为信道内部的高斯噪声功率;

              S/N是信号功率和噪声功率之比。

    香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限数据传输速率就越高。

    1)香农公式告诉我们,若要得到无限大的数据传输速率,只有两个办法:要么使用无限大的传输带宽(这显然不可能),要么使信号的信噪比为无限大,即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率(当然这些也都是不可能的)。

    2)香农公式给出了数据传输速率的极限,该极限是不能够突破的。要想提供信息的传输速率,必须设法提高传输线路的带宽,或者必须设法提高所传信号的信噪比,此外没有其他任何办法。

    例子:

        带宽3kHz、信噪比30db(S/N=1000)的电话信道,任何技术都无法突破香农公式理论上传输速率极限值


    Nyquist和Shannel公式的比较


        根据此公式我们可以让数据传输速率C随信号编码级数增加而增加


        此公式说明无论采样频率多高,信号编码分多少级,此公式给出了信道能达到的最大数据传输速率。

    传输模式(通信方式)---数据流动的方向
    • 单工:数据单向传输(无线电广播)
    • 半双工:数据可以双向传输,但不能在同一时刻双向传输(对讲机)
    • 全双工:数据可同时双向传输(电话)

        两个方向的信号共享链路带宽:

        1)链路具有两条物理上独立的传输线路,或

        2)将带宽一分为二,分别用于不同方向的信号传输


    2.2 传输媒体

    • 传输媒体也称为传输媒介或传输介质,它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路
    • 传输媒介可分为两大类

    有线传输系统:电磁波在介质内部被导向沿着固体媒体传播。例如:电信号在铜、铅等金属导体内传输或光信号在玻璃光纤中传输。

    无线传输系统:利用信号发射器发送信号,发出的信号(电磁波)在自由空间中传播。非导向传输媒体就是指自由空间。


    双绞线(Twisted Pair,TP)

    把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法按一定密度绞合(twist)起来构成了双绞线。扭绞可以相互抵消电磁干扰。



    双绞线-分类


    屏蔽双绞线,在导线与封套之间有一个金属的网状屏蔽层,用来减小辐射,这可以防止外部的电磁干扰,并且避免双绞线内部的电磁辐射传到外部,从而防止通信线路上的窃听,保证了一定的安全性。


    • 安装时必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术,并且屏蔽层必须严格接地,才能真正起到抗干扰作用,否则有可能使屏蔽层自身成为一个很大的干扰源。
    • 全屏蔽解决方案主要应用于严重电磁干扰环境,如一些广播站、电台等。另外,应用于那些处于安全目的,要求电磁辐射极低的环境。

    非屏蔽双绞线,是由一对分别用绝缘层包封的单股铜线双绞而成,他没有屏蔽层,直径小,重量轻,易弯曲,易安装,具有良好的传导率,适用于结构化综合布线。


    双绞线型号

    1、第一类:主要用于传输语音(一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆),不用于数据传输。

    2、第二类:传输频率为1MHz,用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输,常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧令牌网。

    3、第三类:该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输,主要用于10BASE-T。

    4、第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输,主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-t。

    5、第五类:该类电缆增加了绕绞密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输,主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。

    6、超五类电缆(Enhanced Cat 5):与5类双绞线结构基本相同,它是在对现有的UTP五类双绞线的部分性能加以改善后出现的系统,与普通5类UTP相比,其衰减更小,串扰更少,同时具有更高的信噪比、更小的延时误差,性能得到了提高。传输频率可达125MHz和200MHz,用于100BASE-T和1000BASE-T网络。

    7、六类电缆(Cat 6):它比超五类电缆拥有更高的绕绞密度,线对间通常采用十字骨架分隔器,在施工安装方面,比超五类难度更大。其各项参数都有较大提高,其传输频率扩展至250MHz或更高,适用于千兆以太网。


    8、七类电缆(Cat 7):能满足600MHz以上,甚至1.2GHz的传输性能要求,应用于万兆以太网中。六类布线既可以使用UTP,也可以使用STP,而七类布线只基于屏蔽电缆。七类电缆内每个绞对有铝箔屏蔽,外加一个总屏蔽,这使得七类电缆有一个较大的线径。从七类标准开始布线历史上出现和"RJ型"和"非RJ"型接口的划分。


    双绞线一般每个两英尺就有一段文字,他解释了有关此线缆的相关信息,以AMP公司的线缆为例,其文字为:

    "AMP SYSTEMS CABLEE138034 0100 24 AWG (UL) CMR/MPR ORC (UL) PCC FT4 VERIFIED ETL CAT5 044766 FT 9907",其中的具体含义如下所述:

    AMP:代表公司名称。

    0100:表示100欧姆。

    24:表示线芯是24号的(线芯有22、24、26)。

    AWG:表示美国线缆规格标准。

    UL:表示通过认证的标准。

    FT4:表示4对线。

    CAT5:表示5类线。

    044766:表示线缆当前处在的英尺数。

    9907:表示生产年月。

    双绞线制作之RJ-45水晶头


    双绞线制作之压线钳


    双绞线的两种线序:EIA/TIA568A


    双绞线的两种线序:EIA/TIA568B

    双绞线的两端的连接:直通线(也称正线)


    适用场合:

    交换机的UPLINK口----交换机的普通端口

    交换机的普通端口----计算机(终端)网卡

    双绞线的两端的连接:交叉线(也称反线)

    适用场合:

    交换机的普通端口----交换机的普通端口

    计算机网卡(终端)----计算机网卡(终端)

    补充:

    MDI和MDI-X是两种端口,原则上:相同端口用交叉线连接,不同端口用直通线连接。

    如:MDI和MDI,MDI-X和MDI-X用交叉线连接。MDI和MDI-X用直通线连接。




    制作过程

    关于6类线的线序




    6类线的制作





    同轴电缆

    基带同轴电缆(50欧):一条电缆只用于一个信道,用于数字传输。

    宽带同轴电缆(75欧):一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号,用于模拟传输。



    光纤

    依靠广播承载信息

    速率高,通信容量大

    尺寸更小且重量更轻

    传输损耗小,适合长距离传输

    抗干扰性能极好,保密性好



    光纤传输原理


    光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角>=临界值时产生全反射,不会泄漏。



    光源




    激光产品的级别

    Class I:无危险

    Class IIa:观看时间小于1000秒则安全

    Class II:长期观看有危险

    Class IIIa:直接观看有严重危害

    Class IIIb:直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害

    Class IV:直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重伤害

    光纤传输模式


    多模光纤是指在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。

    其光纤芯径在50到100um的范围内,多条入射角度不同的光线可以同时在一根光纤中反射式地传播,传输距离2Km(100M带宽)。

    多模光纤根据折射率的分布特性,可分为突变型(step-index)和渐变型(graded-index)两种。

        多模光纤之折射率突变型

    同样距离下,入射角较小的光束需要更多的反射,所以经过的路程更长。这种路程差意味着到达时间会有所不同。当这些光束在接收端重新组合时,所生成的信号就会畸变。


    任何在到达时间上的差异将造成模式色散。带宽与模式色散成反比关系。

        多模光纤之折射率渐变型

    是一种具有变化的密度的光纤。其芯材中心密度最高,向外逐渐变小,在边界处最小。密度的不断变化使得光线逐渐弯曲成一条曲线,这样每隔一定间距不同的光线就会相交。把接收装置精心放置在这些相交处,就可以获得高精度的重组信号。


    单模光纤

    使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级,这样只有一个角度即"模式"的光线可以通过:轴心光线。于是所有光线都能"同时"到达,并能无失真的重新组合,传输距离大大高于多模光纤,通常用于长距离的传输。但须用昂贵的注入式激光二极管做光源。


    光线传输模式--对比



    典型的光缆






    光线缺点

    费用高:由于纤芯材料的任何不纯净或是不完善都可能导致信号丢失,必须万分精确地进行制造。同样,激光光源费用较高。

    安装/维护难:布设光缆时,一点点粗糙和断折都将导致光线散射和信号丢失;所有的接头都必须打磨并精确地接合;

    脆弱性:比铜导线容易断裂,不适合在移动频繁的环境中使用。

    非导引型传输媒体(自由空间)

    - 使用电磁波携带信息

    - 无需物理连线

    - 适用于长距离或不便布线的场合

    - 易受干扰


    无线电波的三种传播方式

    地波传输

    天波传输

    视距传输




    微波通信的两种方式

    1.地面微波接力

    是一种"视距"通信,即只有在"看得见"的范围内才能通信。


    2.地球同步卫星

    卫星通信是在地面微波接力和空间技术的基础上发展起来的。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高,因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。


    最少使用3个卫星就可以覆盖全球

    传播时延较大


    每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区,但南、北两极地区则为盲区

    卫星通信



    常用传输媒体的比较


    2.4 交换技术

    问题:网络核心部分要为边缘部分提供连通性服务,即在主机之间传输网络数据,那么网络核心部分该采用什么交换技术?(从通信资源的分配角度来看,"交换"就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

    设想:采用传统电信网络的交换技术?即:可以直接将电路交换技术用于计算机之间的通信吗?

    电路交换


    (1)通话前先拨号建立连接。可能只要经过一个交换机(如A到B)。可能要经过多个交换机(如C到D)

    (2)通话过程中,通信双方一直占用所建立的连接。

    (3)通话结束后,挂机释放连接。


    特点:

    (1)在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽;

    (2)灵活性和生存性差,线路中任何一点出故障,将导致通信的中断。

    早期网络采用电路交换,那时计算机很少,非常昂贵。远地终端(没有处理功能)通过通信线路(可能要经过许多个交换机)使用处于网络中心的计算机的资源。


    考虑:

    电话网是为电话通信设计的。电路交换的电话网很适合于电话通信。

    计算机数据:间歇性、突发性。使用电路交换会导致网络资源严重浪费。

    电路交换无法适应不同类型计算机系统之间的差异。

    结论:计算机网络需要使用更加有效的数据交换技术。

    分组交换

    适用于计算机通信的交换技术--分组交换

    产生背景

        60年代初,美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种生存性很强的新型分布式网络。即使少数结点或链路被摧毁,整个网络仍保持畅通。

        这种新型的计算机网络就是采用分组交换的、基于存储转发的计算机网络。

    原理

        使用分组交换,在数据传送前可以不必先建立连接(这种连网方式成为无连接(connectionless)式),这样随时可发送数据。

        注意:面向连接的不一定就是电路交换,分组交换也可以使用面向连接的方式(如广域网的X.25网络和ATM网络)

    怎样实现?依靠存储转发策略

    存储转发原理并非完全新的概念--电报通信也采用了基于存储转发原理

    在报文交换中心,一份份电报被接收下来,并穿成纸带。操作员以每份报文为单位,撕下纸带,根据报文的目的站地址,拿到相应的发报机转发出去。

        存储转发策略在核心部分的路由器上实现。路由器是实现分组交换的关键构件,其任务是转发收到的分组,这是网络核心部分最重要的功能。

    路由器处理分组的过程是:

    • 把收到的分组先放入缓存(暂时存储);
    • 查找转发表(转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息),找出到某个目的地址应从那个端口转发;
    • 然后由交换机构把分组送到适当的端口转发出去。

    在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线







    分组交换网络与传统电信网比较

    电信网向用户(即电话机)提供的服务质量有保证。

    连接在电信网上的电话机几乎没有智能,因此全部的服务质量由电信网完成。


    要传送大量的数据,且传送时间远大于连接建立时间时,可保证传输的快速可靠。


    适合传送突发的数据,信道利用率高。






    2.7 物理层概述

    物理层的作用

    物理层的功能是为它的服务用户(数据链路层实体)在具体的物理媒体上发送和接收比特流。

    传输比特流的过程中所面对的问题:现有计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多,而通信手段也有许多不同方式。

    物理层的作用正是要尽可能地屏蔽这些差异,使数据链路层感觉不到这些差异,即透明地传输比特流

    物理层的主要任务

    机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数据和排列、固定和锁定装置等等。

    电气特性:指明了在接口线路的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数。

    功能特性:主要是对接口的各条线的功能分配和确切定义。接口线路分为数据、控制、定时、地线四种。

    过程特性:指明接口的各条线的工作规程以及各种可能事件的出现顺序。

    • DTE

    (Data Terminal Equipment)是数据终端设备,是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备

    • DCE

    DTE虽具有一定的发送接收能力,但它所发出的信号通常不能直接送到传输介质上,而必须在数据处理设备和传输介质之间,加上一个中间设备DCE

    (Data Circuit Terminating Equipment)是数据电路端接设备,用于在DTE和传输介质之间提供信号变换和编码的功能,并负责建立,保持和释放数据链路的连接。









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