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【通信】通信中的基本知识

2018年01月12日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4199字 ⁄ 字号 评论关闭

一、通信终端

电话机,固定电话,被称为POTS--Plain and Old Telephone System,统治全球通信界近100年时间,为通信事业做出了巨大贡献。

传真机,通过光电扫描技术将图像、文字信息转换为数字信号,经调制后转成音频信号,通过电话线进行传送。

寻呼机,俗称BP机,无线寻呼系统是一种没有话音的单向广播式无线选呼系统。一般是在打电话到家里找不到人时,便给传呼台打电话,由传呼台发送消息到呼机。

对讲机,专用通信工具,说起专用,是因为其客户群全部是政府机构或大企业的专用系统,如公安、保安、公路、石油开采等。

二、网络

面向连接的网络,如PSTN、帧中继、ATM、MPLS网络等。

无连接的网络,如传统IP网络。

三、通信编码

从声音到模拟信号:

在物理学上,语音是一种声波,是由人的声带生理运动而产生的。声波的传播就像水波的扩张。

人耳所能听到的声音频率范围是20到20khz,而实际上,人们只需要3.4khz电周期的可用和可理解信息,这也是电话线路的语音信息带宽。

当然,对人耳可分辨的范围,频率的提高意味着质量的提高,如普通声道的带宽是11khz,立体声的带宽是22khz,高保真立体声的带宽是44khz。

载波是工作在预先定义的单一频率的连续信号,改变载波以便它能以适合传输的形式表示数据,就是我们常说的调制。

电话信号的编码速率为什么是64kbit/s呢,过程:语音的有效频率是300-3400hz,每秒钟抽样8000次,将任何一次抽样结果编码使用8bit来表示,则1秒钟有8000次抽样,每次抽样都使用8bit,则1秒钟就是64kbit,因此电话信号的编码速率是64kbit/s。

我们将64kbit/s称为一路语音信号的带宽需求量,这种量化方式称为PCM。

如果不考虑成本,一条线可以只传送一路信号,但实际情况是,我们需要在一根线上传送所路信号,复用和解复用就是为此而设计的。

任何一根电缆上,在同一时刻不可能传送两个电平。在TDM中,若干路电话被分割成若干等份,在不同时间切片中被复用到电话网中传送。对于PCM30/32制式来说,其每一帧125us内有32个PCM码从线路中通过,则在1秒钟时间内,能够通过8000x32x8=2048kbit,这就是PCM的一次群速率--2048kbit/s。

一些传输的帧格式:

以太网采用的CSMA-CD技术,CSMA-CD可以想象成一个没有主持人的座谈会,每个参加者如果有话要说,都必须礼貌地等待别人把话说完再发言。

在通信技术中,0和1的整编制数据集合,被称为分组,而数据链路层的分组称为帧,网络层的分组称为包,而有时候专家们不按常理出牌,如ATM的分组称为信元。

帧中继技术被用来连接两个局域网--企业分支机构之间的互或企业连接到运营商的骨干IP网络上。帧中继是典型的数据链路层技术,我国由于历史原因并没有大规模发展起来。

通信网上的传递方式分为同步传递方式STM和异步传递方式ATM。STM的特点是:在由N路原始信号复合的时分复用信号中,各路原始信号都是按照一定时间间隔周期性的出现。ATM的原理是:每个分组作为一个单元独立传输,分组之间的传输间隔为任意时间。ATM技术一度被认为是未来通信网的核心,它在设计之初就被定义为能够承载任何信息的载体,这就很容易理解它为什么被定义为定长的53字节的帧格式。

同步数字体系SDH是最常用的电信传输体制,是电信领域的常青树,SDH统一了世界上原有的数字传输系列,实现了数字传输体制上的国际标准及多厂家设备的横向兼容。

正因为如此,SDH被广泛应用,语音、DDN、帧中继、IP、ATM都可以承载在SDH上。在SDH中,定义了虚容器,它是一种用来支持通道层的信息结构,那么SDH是如何设计虚容器的呢?SDH是以155.52Mbit/s为基础的序列,这里说的基础是指现有北美体系1.544Mbit/s,欧洲和亚洲的2.048Mbit/s系列的速率全以155.52Mbit/s的速率进行多路复用。凡是超过这个速率的传送,其速率是155.52Mbit/s的4倍、16倍、64倍。

假设这个容器是一个长方行,有9行、270列的格子,每个格子代表8位,每秒钟,格子在线路上传送8000次,则9x270x8x8000=155.52Mbit/s,这就是SDH传输速率。

四、ATM与IP之争

ATM以路为中心,设计了精巧、严密、稳定的网络方案,可控性、可管理性都做的非常好。其特点是通信网络复杂而通信终端简单,通信中所需要执行大量任务由通信网络完成而非通信终端完成。但其致命的缺点就是过于复杂,难以实现。在标准化的推进过程中远远落后于IP。
IP则完全相反,IP设计的通信网络功能是简单的,尽力而为的(说白了就是不可靠的,我尽力而为了,做不到别找我),把通信中大量的工作交给终端来做。很明显的一个例子是IP通信网络就三层,用无连接的通信方式。而要对收到的信息进行重排、确认、重发等工作都是第四层也就是传输层的工作,而传输层实际上时终端到终端的实体在进行通信,也就是说这些保障通信正确的工作多数是在终端上完成的,而网络就是做到尽量无错的传递而已。
ATM是传统通信行业人意志的体现。因为我们只要回顾一下通信发展的历史就可以知道,在很长的历史时期通信网的终端其实都是很弱小的。以电话机为例,电话机本身没有任何可识别的ID,一个开通的了电话线路插上那个电话机都可以打。电话号码不是的电话机ID而只是电话网最末端一个线路的ID。由此可见在传统的通信网中,终端起的作用其实是非常微不足道的,就是完成一个通信信息格式的转换而已。因此传统通信行业的人提出一个复杂网络+简单终端的模式是毫不奇怪的。
IP是计算机领域的人搞出来的。早期的计算机是不通信的,都是独立的个体。后来为了传数据方便,有一帮搞计算机的人就开始琢磨着怎么样可以让数据传着省事一些。从最开始的两台机器直连到后来的几台机器挂在总线上,再到后来的出现了交换机、路由器。互联的规模越来越大。但总的说来计算机之间的通信是由非常简陋的直连线发展起来的。在非常简陋的网络条件下,搞计算机之间通信的人只有因陋就简,把大量的工作交给终端而非网络去做。好在计算机本身就是一个功能比较强大的终端(相比于传统的电话机而言强大很多了),也能够胜任比较复杂的处理工作。所以简单网络+复杂终端就成了计算机领域的人心目中通信网的模式。
由于IP网简单,因而造价不高而受到了追捧,ATM一蹶不振。从IP胜利的那一刻起,传统的通信学科已经不存在了,计算机领域的思想大量入侵通信领域,导致了通信计算机化。

五、P2P技术

P2P--peer-to-peer,对等互联网络技术,是一种网络新技术,依赖网络中参与者的计算能力和带宽,而不是把依赖都聚集在较少的几台服务器上。
P2P网络的一个重要的目标就是让所有的客户端都能提供资源,包括带宽,存储空间和计算能力。因此,当有节点加入且对系统请求增多,整个系统的容量也增大。这是具有一组固定服务器的Client-Server结构不能实现的,因为在上述这种结构中,客户端的增加意味着所有用户更慢的数据传输。
P2P网络的分布特性通过在多节点上复制数据,也增加了防故障的健壮性,并且在纯P2P网络中,节点不需要依靠一个中心索引服务器来发现数据。在后一种情况下,系统也不会出现单点崩溃。

六、NAT

NAT是为了节省IP地址而设计的,但它隐藏了内网机器的地址,“意外”起到了安全的作用。对外不可见,不透明的内部网络也与互联网的“公平”应用,“相互共享”的思想所不容,尤其是P2P网络中“相互服务”的宗旨,所以穿越NAT,让众多内部网络的机器也参与到P2P网络中的大集体中来,一直是P2P开发者的所希望的。穿越NAT需要借助外部的支持,说白了就是“内外勾结”,骗过NAT。
NAT原理:
NAT主要的通过对数据包头的地址替换来完成内网计算机访问外网服务的。当内部机器要访问外部网络时,NAT设备把内部的IP1与端口号1(网络层地址与传输层地址),转换成NAT的外部IP2与新的端口号2,再送给外部网络,数据返回时,再把目的为IP2:端口2的数据包替换为IP1:端口1,送给内网机器。若通讯协议的内容中有IP地址的传递,如FTP协议,NAT在翻译时还要注意数据包内涉及协议地址交互的地方也要替换,否则协议就会出现地址混乱。在NAT设备中维护了这个要替换地址的映射表,并根据内部计算机的通讯需求维护该表。外部网络来数据包能否进入NAT,主要是看是否已经有可映射的表项,若没有就会丢弃。
NAT的外部公网地址可以是一个IP,也可以是一个网段,形成地址池。NAT还可以把某个外网地址直接影射给内网的某个服务器,让外网的用户可以直接访问到这台服务器。NAT的工作的隐藏内网的机器,但允许内网主动打开到外网的通讯“通道”,也就是建立映射表项。

七、STUN

STUN协议是一种通道协议,可以作为正式通讯前的通路建立,它采用的是用户终端干预的一种方法,可以解决应用协议内部传递IP地址给NAT带来的麻烦。用户通过其他方法得到其地址对应在NAT出口上的对外地址,然后在报文负载中所描述的地址信息就直接填写NAT上对外地址,而不是内网的私有IP,这样报文的内容在经过NAT时就按普通的NAT流程转换报文头部的IP地址即可,负载内的IP地址信息无需再修改。利用STUN的思路可以穿越NAT。STUN协议是客户端/服务器协议,分两种请求方式:一是UDP发送的绑定请求(Binding
Requests),二是TCP发送的秘密请求(Shared Secret Requests)。绑定请求用于确定NAT分配的绑定地址。
穿越NAT的情况分为为两种方式:
    1、一方在NAT之后,一方在公网上。这种情况相对简单,只要让NAT之后的终端先发起通讯,NAT就没有作用了,它可以从Server上取得另一个Peer的地址,主动连接,回来的数据包就可以方便地穿越NAT。
    2、双方都在NAT之后,连接的成功与否与两个NAT的类型有关。主要的思路的先通过终端与Server的连接,获得两个终端在NAT外部的地址(IP与端口号),再由终端向对方的外部地址发邀请包,获取自己与对方通讯的外部地址,俗称为“打洞”。关键是获取了NAT外部映射的地址,就可以发包直接沟通,建立连接。

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