免费智能真题库 > 历年试卷 > 网络工程师 > 2023年上半年 网络工程师 上午试卷 综合知识
  第14题      
  知识点:   编码   高速以太网   数据编码   数据编码方法   以太网
  关键词:   编码方法   数据   以太网   编码        章/节:   局域网       

 
百兆以太网采用的数据编码方法是()。
 
 
  A.  曼彻斯特
 
  B.  64B/66B
 
  C.  8B/10B
 
  D.  4B/5B
 
 
 

 
  第60题    2019年上半年  
   62%
下面列出的4种快速以太网物理层标准中,采用4B5B编码技术的是( )。
  第63题    2020年下半年  
   51%
快速以太网100BASE-T4采用的传输介质为( )。
  第15题    2019年下半年  
   23%
下列千兆以太网标准中,传输距离最长的是( )。
   知识点讲解    
   · 编码    · 高速以太网    · 数据编码    · 数据编码方法    · 以太网
 
       编码
        编码是指将量化后的样本值变成相应的二进制代码。通常,当量化级为N时,二进制位数为log2N
        例如,对声音数字化时,由于话音的最高频率是4kHz,所以采样速率是8kHz。对话音样本的量化用128个等级,因而每个样本用7位二进制数字表示。在数字信道上传输的速率是7×8000=56kb/s。
 
       高速以太网
               快速以太网
               1995年,100Mb/s的快速以太网标准IEEE 802.3u正式颁布,这是基于10Base-T和10Base-F技术、在基本布线系统不变的情况下开发的高速局域网标准。
               快速以太网使用的集线器可以是共享型或交换型,也可以通过堆叠多个集线器扩大端口数量。互相连接的集线器起到了中继的作用,扩大了网络的跨距。快速以太网使用的中继器分为两类。I类中继器中包含编码/译码功能,它的延迟比II类中继器大。
               快速以太网的数据速率提高了10倍,而最小帧长没变,所以冲突时槽缩小为4.12μs。以太网计算冲突时槽的公式为
               
               式中,S为网络的跨距(最长传输距离);0.7C为0.7倍光速(信号传播速率);tphy为发送站物理层时延,由于发送站发送和接收两次,所以取其时延的两倍值。
               可得计算快速以太网跨距的计算公式为
               
               千兆以太网
               1000Mb/s以太网的传输速率更快,作为主干网提供无阻塞的数据传输服务。1996年3月,IEEE成立了802.3z工作组,最终制定的1Gb/s的以太网标准包括以下内容。
               .1000Base-CX:使用两对STP和9芯D型连接器,最大段长为25m。
               .1000Base-LX:使用一对62.5μm或50μm多模光纤,最大段长为550m;或使用9μm的单模光纤,最大段长为5km。
               .1000Base-SX:使用一对62.5μm的多模光纤,最大段长为550m;或使用一对50μm的多模光纤,最大段长为525m。
               .1000Base-TX:使用一对五类UTP,最大段长为100m。
               实现1000Mb/s的数据速率,需要采用许多新的数据处理技术。首先是最小帧长需要扩展,以便在半双工的情况下增加跨距。另外,802.3z还定义了一种帧突发方式(Frame Bursting),使得一个站可以连续发送多个帧。最后物理层编码也采用了与10Mb/s不同的编码方式,即4B/5B或8B/9B编码法。
               万兆以太网(10GE)
               2002年6月,IEEE 802.3ae标准发布,支持10Gb/s的传输速率。万兆以太网具有以下特点。
               .MAC子层和物理层实现10Gb/s的传输速率。
               .MAC子层的帧格式不变,并保留IEEE 802.3标准最小和最大帧长度。
               .不支持共享型,只支持全双工,即只可能实现全双工交换型10Gb/s以太网。
               .支持星型局域网拓扑结构,采用点到点连接和结构化布线技术。
               .在物理层上分别定义了局域网和广域网两种系列。
               不能使用双绞线,只支持多模和单模光纤。
 
       数据编码
        通信信道有两种类型,即模拟信道和数字信道。计算机数据在不同的信道中传输,要采用不同的编码方式。
               数字数据的模拟信号编码
               将计算机中的数字数据变换成网络中的模拟信号,必须要进行调制,即进行频谱变换。模拟信号传输的基础是载波,载波具有三大要素,即幅度、频率和相位。数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。
               将数字数据调制为模拟信号的基本方式有3种:即调幅、调频和调相,如下图所示。
               1)调幅
               调幅(Amplitude Modulation, AM)即载波的振幅随着基带数字信号而变化,又称幅移键控(ASK)。在调幅(幅移键控)方式中,用载波的两个不同振幅来表示两个二进制值。例如,用振幅恒定的载波的存在表示一个二进制数字1,载波不存在表示一个二进制数字0,如下图所示。其特点是实现容易,抗干扰能力差。
               2)调频
               调频(Frequency Modulation, FM)即载波的频率随着基带数字信号而变化,又称频移键控(FSK)。例如,用频率f1表示一个二进制数字1,频率f2表示一个二进制数字0,如下图所示。其特点是实现容易,抗干扰能力强。
               3)调相
               调相(Phase Modulation, PM)即载波的初始相位随着基带数字信号而变化,又称相移键控(PSK)。在调相方式(相移键控)中,数字0和1的载波起始相位不同。例如,可以用θ= 0°代表0,θ=180°代表1,如下图所示,这种方法称为两相调制;如果以θ为0°、90°、180°、270°,分别表示二进制数00、01、10、11,这种方法称为四相调制。每个调制时间间隔包含两个比特的信息,因此,使信息传输速率增加一倍。其特点是实现复杂、抗干扰能力强。
               
               数字数据调制方式
               由PSK和ASK结合的相位幅度调制(PAM),是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。相位幅度调制,即采用相位调制和幅度调制结合的方法来提高传输速率(不提高调制速率)。它采用16个不同的相位和幅度电平,可以使1200b/s的Modem传送19 200b/s的数据信号。
               数字数据编码
               在数字信道中传输计算机数据时,要对计算机中的数字信号重新编码并进行基带传输。
               对于数字信号来说,最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字,即数字信号由矩形脉冲组成。
               在基带传输中,数字信号的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,如下图所示。
               1)不归零编码
               不归零编码(Non-Return-Zero, NRZ)用低电平表示二进制0,用高电平表示二进制1。不归零编码有单极型不归零编码和双极型不归零编码两种。
               单极型不归零编码,无电压表示0,恒定正电压表示1,每个码元时间的中间点是采样时间,判决门限为半幅电平,如下图所示。
               双极型不归零编码,1码和0码都有电压,1为正电压,0为负电压,正负电压的幅度相等,判决门限为零电平,如下图所示。
               2)曼彻斯特编码
               曼彻斯特编码(Manchester Encoding),用电平的跳变表示二进制,电平由从高到低的跳变表示二进制1,从低到高的跳变表示二进制0,如下图所示。
               3)差分曼彻斯特编码
               差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding),每比特的开始无跳变表示二进制1,有跳变表示二进制0,如下图所示。
               
               常用编码方案
               两种曼彻斯特编码的最大优点是将时钟和数据包含在信号数据流中,在传输代码信息的同时,也将时钟同步信号一起传送给对方,所以这种编码也称为自同步码。但缺点也很明显,那就是编码效率低。例如,要传送10Mb/s的数据,需要20MHz的脉冲。曼彻斯特编码常用在以太网中,而差分曼彻斯特编码常用在令牌环网中。
               模拟数据的数字信号编码
               将模拟数据编码为数字信号的最常见方法是脉冲编码调制,简称脉码调制(Pulse Code Modulation, PCM)。脉码调制是以采样定理为基础的。从数学上可以这样说明采样定理:若对连续变化的模拟信号进行周期性采样,只要采样频率等于或大于有效信号最高频率的两倍,则采样信息包含原信号的全部信息。再利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。
               采样定理表达公式为
               Fs≥2FmaxFs2Bs
               式中:Fs(即1/Ts)为采样频率;Fmax为原始信号的最高频率;Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽。
               PCM编码过程包括采样、量化和编码3个步骤,如下图所示。
               1)采样
               每隔一定的时间对连续模拟信号进行采样,得到的信号就成为一组"离散"的脉冲信号序列,这种方式称为脉冲幅值调制(Pulse Amplitude Modulation, PAM)。
               
               PCM原理
               2)量化
               量化是一个分级过程,把采样所得到的PAM脉冲按量级比较,并且"取整",这样脉冲序列就成为数字信号了。
               3)编码
               表示采样序列量化后的量化幅度,它用一定位数的二进制码表示。如果有N个量化级,那么就应当有log2N位二进制数码。
               例如,声音数据频率一般在4000Hz以下,那么只要8000次/s的采样就可以完整地表示声音信号的特征。目前,在语音数字化脉冲调制系统中,通常分为128个量级,即用7位二进制数码表示。PCM编码的数据率为8000×7=56kb/s。
 
       数据编码方法
        所谓编码就是按照一定的组合原则,采用少量的基本符号来表示不同的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则是信息编码的两大要素。在计算机中,将信息转换成用二进制数0和1表示的代码的过程称为数据编码。例如,文字、图形、声音、动画和电影等信息的编码规则是不同的,这样计算机才能识别并进行处理。
        (1)西文信息编码。
        计算机中将非数字的符号表示成二进制形式叫做字符编码。为了在世界范围内进行信息的处理与交换,必须遵循一种统一的编码标准。常见的有ASCII码、EBCDIC码和BCD码。
        ①ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)是美国标准信息交换码,也是目前最常用的西文字符编码。该编码用7位二进制编码表示,从0000000到1111111,共有128种编码组合,可表示128个字符,其中数字10个、大小写英文字母52个、控制字符34个、其他字符32个。由于计算机是用一个字节来存放一个ASCII字符,故最高位为0。例如,大写字符A的ASCII码对应的二进制数是1000001,其对应的十进制数为65D,十六进制数为41H;小写字符t的ASCII码对应的二进制数是1110100,其对应的十进制数为116D,十六进制数为74H。
        ②EBCDIC码(Extended Binary Coded Decimal Interchanged Code)是扩展的二-十进制交换码,用一个字节(8位)表示一个字符,共有256种编码组合,可表示256个不同的字符,主要用于IBM系列大型机中。在EBCDIC码中,数字0~9的高4位编码全为1,低4位编码则依次为0000到1001。
        ③BCD码(Binary-Coded Decimal)也称为二-十进制代码,用4位二进制数来表示1位十进制数。这种编码形式利用了4位二进制代码来储存一个十进制数,不仅可以使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行,而且从16个4位二进制代码0000~1111中选择其中的10个作为数字代码,可以有多种BCD码,可以分成有权BCD码和无权BCD码两种。有权BCD码有8421码(最常用)、2421码和5421码等;无权BCD码有余3码和格雷码等。例如,十进制14.75转换成8421码和二进制的情况如下:
        (14.75)10=(0001 0100.0111 0101)8421码(14.75)10=(1110.11)2
        ④Unicode码也是一种国际标准编码,是由Unicode联盟开发的一种字符编码标准,该标准采用多个字节代表一个字符,与标准ASCII码不兼容。Unicode字符系统有多种表示形式,包括UTF-8、UTF-16和UTF-32。目前,大多数Windows界面都使用UTF-16形式,能够表示世界上所有书写语言中用于计算机通信的字元、象形文字和其他符号。
        (2)中文信息编码与汉字的输入输出。
        中文信息编码比较复杂,我国于1980年制定了《信息交换用汉字编码字符集基本集》,即GB2312—80国家标准,规定一级和二级字库共6763个汉字,另加682个图形符号(计算机将它们也当汉字看待)。按汉字的使用频度将汉字分为一级汉字(常用字)和二级汉字。
        ①中文信息编码。
        .区位码:GB2312字符集构成一个94行、94列的二维表,行号称为区号,列号称为位号,每一个汉字或符号在码表中的位置用它所在的区号和位号来表示。为了处理与存储的方便,每个汉字的区号和位号在计算机内部分别用一个字节来表示。例如,“啊”的区号为16H,位号为01H,其区位码为1601H,用2个字节的二进制数表示为00010110 00000001。
        .国标交换码:区位码无法用于汉字通信,因为它可能与通信使用的控制码(00H~1FH,即0~31)发生冲突。ISO2022规定每个汉字的区号和位号分别加上十六进制数20H,拼起来得到的代码称为国标交换码,简称交换码。例如,“啊”字的区号为16H+20H=36H,位号为01H+20H=21H,拼起来后得到的国标交换码为3621H。
        .机内码:简称内码,是供计算机内部存储、处理加工和传输汉字或西文字符时所用的由0和1符号组成的代码。为了在机器内部区别开汉字和西文字符,以免造成混乱,汉字内码中两个字节的最高位均规定为1。
        ②汉字的输入。
        汉字输入码是为了解决使用西文标准键盘把汉字输入到计算机内部而设计编制的代码。一个好的汉字输入码编码方案应该满足汉字覆盖率高、重码率低且易区分、易学易记、码长短、平均击键次数少、输入速度快等要求。目前常用的编码方案主要有以下4类:
        .数字编码:为每一个汉字分配一个唯一的数字代码串,若输入一个汉字,即输入对应的一串数字。如国标区位码、电报码。数字编码的优点是一字一码,没有重码,输入码与内部编码的转换方便,但是编码不易记忆,难以推广使用。
        .拼音码:用每个汉字的汉语拼音符号作为一个汉字的输入编码。如全拼码、双拼码、自然码等都属于此类输入码。拼音码的优点是易学、易记,凡是掌握汉语拼音的人都可以使用。但是由于汉字同音字太多,此编码方案的重码率非常高,使输入速度受到很大限制。
        .字形码:用每个汉字的形状进行编码,将汉字的比划部首进行分解,用相应的字母来代替,并按笔划顺序依次输入。如五笔字型、表形码都属于此类输入码。字形码的特点是输入速度得到较大提高,但是需要经过一定的学习和训练才能充分掌握输入方法。
        .混合码:为了获得较高质量的输入编码,综合上述编码方案的优点,形成混合型的输入编码,如音形码等。
        ③汉字的输出。
        计算机对汉字的输出方法有显示输出、打印输出和语音输出等,主要牵涉到汉字点阵和汉字库等内容。
        .汉字点阵:在汉字信息处理系统中,无论中文还是西文,最终都要以字形的方式输出处理结果。汉字字形一般是以数字化的方式存储在计算机的存储器中,将汉字图像预先分割为许多小方块,组成一个“点阵”。若用0表示白点,1表示黑点,这个点阵字形就很容易地用二进制表示了,这种方法称为“点阵的数字化”。表示字形的二进制代码称为汉字字形码。
        .汉字库:按用途不同可分为简易汉字库和精密汉字库两种。简易汉字库中可存储24×24点阵或16×16点阵规模的汉字点阵,用于屏幕汉字显示或针式打印机汉字输出。精密汉字库存储的字模可供照排机和激光印字机输出汉字时使用,字模的点阵规模一般不低于108×108点阵。对于这样大规模点阵的字模存储量极大,故必须进行压缩。
        .语音输出:是指利用语音的数字信息,采用语音合成的方法由数字信息还原成模拟量而输出人耳能听到的语音,是人与计算机沟通的一个重要途径。
        (3)图形和图像信息表示。
        图形和图像与文字、声音等其他信息媒体相比具有直观明了、含义丰富等多种优点。日常生活中的图形和图像在计算机中有两种数字化表示方法,一种称为点阵图像或位图图像,简称图像(Image);另一种称为几何图形或矢量图形,简称图形(Graphics)。
        .位图图像:由一系列像素组成,把画面离散成m×n个像素所组成的一个矩阵,所以它又称为位图表示法或点阵表示法。每个像素用若干个二进制位来指定它的颜色深度。通常,黑白图像只用一位二进制(0或1)数表示每个黑白像素的灰度值,彩色图像用三个或多个二进制整数表示每个彩色像素的三个分量(如R,G,B)的灰度值。
        .矢量图形:对采集图像依据某种标准进行分析、分解,提取出具有一定意义的独立的信息单位(图元),如一段直线、一条曲线、一个矩形、一个圆、一个电路符号等,并用一组指令来描述原始图像中每个图元和各个图元之间的联系。当计算机要显示一幅存储的图像时,只需读取这组指令,逐条解释、执行指令,就可以将图像输出。
 
       以太网
        以太网是最早使用的局域网,也是目前使用最广泛的网络产品。以太网有10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s等多种速率。
               以太网传输介质
               以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤三种,以IEEE 802.3委员会习惯用类似于10Base-T的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成:
               (1)10:表示速率,单位是Mb/s。
               (2)Base:表示传输机制,Base代表基带,Broad代表宽带。
               (3)T:传输介质,T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长。
               传输介质的具体命名方案如下表所示,了解这些知识是十分必要的。
               
               以太网传输介质表
               
               以太网时隙
               时间被分为离散的区间称为时隙(Slot Time)。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0,1或多个帧,分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况。
                      设置时隙理由
                      在以太网规则中,若发生冲突,则必须让网上每个主机都检测到。信号传播整个介质需要一定的时间。考虑极限情况,主机发送的帧很小,两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻,B开始发送帧。这样,当A的帧到达B时,B检测到了冲突,于是发送阻塞信号。B的阻塞信号还没有传输到A,A的帧已发送完毕,那么A就检测不到冲突,而误认为已发送成功,不再发送。由于信号的传播时延,检测到冲突需要一定的时间,所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。
                      在最坏情况下,检测到冲突所需的时间
                      若A和B是网上相距最远的两个主机,设信号在A和B之间传播时延为τ,假定A在t时刻开始发送一帧,则这个帧在t+τ时刻到达B,若B在t+τ-ε时刻开始发送一帧,则B在t+τ时就会检测到冲突,并发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突,所以一帧的发送时间必须大于2τ
                      按照标准,10Mb/s以太网采用中继器时,连接最大长度为2500m,最多经过4个中继器,因此规定对于10Mb/s以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。51.2μs也就是512位数据在10Mb/s以太网速率下的传播时间,常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节,因此以太网帧的最小长度为64字节。
                      冲突发生的时段
                      (1)冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间,即512位时的时段。
                      (2)当网上所有主机都检测到冲突后,就会停发帧。
                      (3)512位时是主机捕获信道的时间,如果某主机发送一个帧的512位时,而没有发生冲突,以后也就不会再发生冲突了。
               提高传统以太网带宽的途径
               以往被淘汰、传统的以太网是以10Mb/s速率半双工方式进行数据传输的。随着网络应用的迅速发展,网络的带宽限制已成为进一步提高网络性能的瓶颈。提高传统以太网带宽的方法主要有以下3种。
                      交换以太网
                      以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议,因此从本质上说它在网络负载较低时性能不错,但如果网络负载很大时,冲突会很常见,因此导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题,“交换式以太网”应运而生,这种系统的核心是使用交换机代替集线器。交换机的特点是,其每个端口都分配到全部10Mb/s的以太网带宽。若交换机有8个端口或16个端口,那么它的带宽至少是共享型的8倍或16倍(这里不包括由于减少碰撞而获得的带宽)。
                      交换以太网能够大幅度的提高网络性能的主要原因是:
                      .减少了每个网段中的站点的数量;
                      .同时支持多个并发的通信连接。
                      网络交换机有三种交换机制:直通(Cut through)、存储转发(Store and forward)和碎片直通(Fragment free Cut through)。
                      交换式以太网具有几个优点:第一,它保留现有以太网的基础设施,保护了用户的投资;第二,提高了每个站点的平均拥有带宽和网络的整体带宽;第三,减少了冲突,提高了网络传输效率。
                      全双工以太网
                      全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽,即每个方向都支持10Mb/s,这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。
                      全双工操作吸引人的另一个特点是它不需要改变原来10Base-T网络中的电缆布线,可以使用和10Base-T相同的双绞线布线系统,不同的是它使用一对双绞线进行发送,而使用另一对进行接收。这个方法是可行的,因为一般10Base-T布线是有冗余的(共4对双绞线)。
                      高速服务器连接
                      众多的工作站在访问服务器时可能会在服务器的连接处出现瓶颈,通过高速服务器连接可以解决这个问题。使用带有高速端口的交换机(如24个10Mb/s端口,1个100Mb/s或1000Mb/s高速端口),然后再把服务器接在高速端口上并使用全双工操作。这样服务器就可以实现与网络200Mb/s或2000Mb/s的连接。
               以太网的帧格式
               以太网帧的格式如下图所示,包含的字段有前导码、目的地址、源地址、数据类型、发送的数据,以及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外,其余字段的长度都是固定的。
               
               以太网的帧结构
               注:字段的长度以字节为单位
               前导码(P)字段占用8字节。
               目的地址(DA)字段和源地址(SA)字段都是占用6字节的长度。目的地址用于标识接收站点的地址,它可以是单个的地址,也可以是组地址或广播地址,当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址,用十六进制数可表示为01:00:00:00:00:00,假如全部48位(每字节8位,6字节即48位)都是1时,该地址表示是一个广播地址。源地址用于标识发送站点的地址。
               类型(Type)字段占用两字节,表示数据的类型,如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包,而0x0806表示ARP数据包,0x8035表示RARP数据包。
               数据(Data)字段占用46~1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据,如果数据不够长度,必须在不足的空间插入填充字节来补充。
               帧校验序列(FCS)字段是32位(即4字节)的循环冗余码。
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第14题    在手机中做本题