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       以太网、WLAN等基本原理与结构
相关知识点:26个      
               以太网
               以太网接口一般分为十兆、百兆、千兆以太网接口。
               (1)传统以太网接口符合10Base-T物理层规范,工作速率为10Mb/s,有全双工和半双工两种工作方式。
               (2)快速以太网接口符合100Base-TX物理层规范,兼容10Base-T物理层规范,可以在10Mb/s、100Mb/s两种速率下工作,有半双工和全双工两种工作方式。它具有自动协商模式,可以与其他网络设备协商确定工作方式和速率,自动选择最合适的工作方式和速率,从而可以大大简化系统的配置和管理。传统以太网接口的配置与快速以太网接口的配置基本相同,但前者配置简单,配置项较少。
               (3)千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术,给用户带来了提高核心网络的有效解决方案,这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。千兆技术仍然是以太技术,它采用了与10Mb/s以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。
               千兆以太网技术有两个标准:IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab。
               IEEE 802.3z工作组负责制定光纤(单模或多模)和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE 802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X,采用8B/10B编码技术,信道传输速度为1.25Gb/s,去耦后实现1000Mb/s传输速度。
               IEEE 802.3ab工作组负责制定基于半双工链路的千兆以太网标准,产生IEEE 802.3ab标准及协议。
               以太网卡可以工作在两种模式下:半双工和全双工。
               半双工:半双工传输模式实现以太网载波监听多路访问冲突检测。传统的共享LAN是在半双工下工作的,在同一时间只能传输单一方向的数据。当两个方向的数据同时传输时,就会产生冲突,这会降低以太网的效率。
               全双工:全双工传输是采用点对点连接,这种安排没有冲突,因为它们使用双绞线中两个独立的线路,这等于没有安装新的介质就提高了带宽。在全双工模式下,冲突检测电路不可用,因此每个全双工连接只用一个端口,用于点对点连接。标准以太网的传输效率可达到50%~60%的带宽,全双工在两个方向上都提供100%的效率。
               WLAN
               WLAN(Wireless Local Area Network)是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物,它以无线多址信道作为传输媒介,提供传统有线局域网的功能。WLAN的覆盖范围一般在100m以内,通过桥接可以达到更大的覆盖范围。传输介质为红外线IR或射频RF波段,以后者使用居多。
               由于WLAN是基于计算机网络与无线通信技术的,在计算机网络结构中,逻辑链路控制(Logic Link Contros,LLC)层及其之上的应用层对不同物理层的要求可以是相同的,也可以是不同的,因此,WLAN标准主要是针对物理层和媒质访问控制层(Media Access Control,MAC),涉及到所使用的无线频率范围、空中接口通信协议等技术规范与技术标准。
               (1)IEEE 802.11。1990年IEEE 802标准化委员会成立IEEE 802.11WLAN标准工作组。IEEE 802.11(又称Wi-Fi,Wireless Fidelity,无线保真)是在1997年6月由大量的局域网及计算机专家审定通过的标准,该标准定义了物理层和媒体访问控制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制,定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法,RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频,工作在2.4000~2.4835GHz频段。
               (2)IEEE 802.11b。1999年9月IEEE 802.11b被正式批准,该标准规定WLAN工作频段在2.4~2.4835GHz,数据传输速率达到11Mb/s,传输距离控制在50~150英寸。该标准是对IEEE 802.11的一个补充,采用补偿编码键控调制方式,采用点对点模式和基本模式两种运行模式。在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s的不同速率间自动切换,它改变了WLAN设计状况,扩大了WLAN的应用领域。
               (3)IEEE 802.11a。1999年,IEEE 802.11a标准制定完成,该标准规定WLAN工作频段在5.15~8.825GHz,数据传输速率达到54Mb/s或72Mb/s(Turbo),传输距离控制在10~100m。该标准也是IEEE 802.11的一个补充,扩充了标准的物理层,采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Modulation,OFDM)的独特扩频技术,可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的以太网无线帧结构接口,支持多种业务,如话音、数据和图像等,一个扇区可以接入多个用户,每个用户可带多个用户终端。
               (4)IEEE 802.11g。目前,IEEE推出了最新版本IEEE 802.11g认证标准,该标准提出拥有IEEE 802.11a的传输速率,安全性较IEEE 802.11b好,采用两种调制方式,含IEEE 802.11a中采用的OFDM与IEEE 802.11b中采用的CCK,做到与IEEE 802.11a和IEEE 802.11b兼容。
               蓝牙
               蓝牙(Bluetooth)技术是由世界著名的5家大公司——Ericsson(爱立信)、Nokia(诺基亚)、Toshiba(东芝)、IBM(国际商用机器公司)和Intel(英特尔),于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术。蓝牙技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享。
               蓝牙技术的特点:
               (1)传输距离短。目前蓝牙技术工作距离是10m以内,经过增加射频功率后可达到100m。该工作范围使得蓝牙技术可以保证较高的数据传输速率,同时可降低与其他电子产品和无线电技术的干扰。
               (2)采用跳频扩频技术。将2.4GHz~2.4835GHz之间划分出79个频点,采用快速跳频,根据由主机和外设所构成的所谓Piconet(微网)主单元确定的跳频次数为每秒钟1600次。跳频技术的采用使蓝牙的无线链路自身具备了更高的安全性和抗干扰能力。最大的跳频速率为1600跳/s。
               (3)采用时分复用多路访问技术。蓝牙的基带符号速率为1Mb/s,它采用数据包的形式按时隙传送,每时隙0.625ms,不排除将来采用更高的符号速率。每个蓝牙设备均在自己的时隙中发送数据,这在一定程度上有效地避免了无线通信中的“碰撞”和“隐藏终端”等问题。
               (4)网络技术。几个Piconet可以被连接在一起,并依靠跳频顺序识别每个Piconet。同一Piconet的所有用户都与这个跳频顺序同步,其拓扑结构可以被描述为多Piconet结构。在一个由10个独立的全负载Piconet组成的多Piconet结构中,全双工数据速率可超过6Mb/s。
               (5)语音支持。语音信道采用CVSD(连续可变斜率增量调制)语音编码方案,且从不重发语音数据包。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样,即使错误率达到4%,经过CVSD编码处理的语音同样可以被识别。
               (6)纠错技术。蓝牙技术采用的是FEC(前向纠错)方案,其目的是为了减少数据重发的次数,降低数据传输负载。但是,要实现数据的无差错传输,FEC就必然要生成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这是因为,数据包对于是否使用FEC是弹性定义的。报头总有占1/3比例的FEC码起保护作用,其中包含了有用的链路信息。在无编号的ARQ方案中,一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错,才向发送端返回确认消息,否则将返回一个错误消息。
               ZigBee
               ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式:蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息,以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。借此意义ZigBee作为新一代无线通信技术的命名。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
               ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。ZigBee是一个由可多到65 000个无线数传模块组成的一个无线网络平台,在整个网络范围内,每一个网络模块之间可以相互通信,每个网络结点间的距离可以从标准的75米无限扩展。通信距离从标准的75米到几百米、几千米,并且支持无限扩展(依靠结点数增加)。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点;而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在几十万甚至上百万元人民币,而每个ZigBee网络“基站”(结点)却不到1000元人民币。
               WiFi
               WiFi全称Wireless Fidelity,又称802.11b标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mb/s;另外它的有效距离也很长,同时也与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。
               WiFi第一个版本发表于1997年,其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式,总数据传输速率设计为2Mb/s。两个设备之间的通信可以自由直接(ad hoc)的方式进行,也可以在基站BS(Base Station)或访问点AP(Access Point)的协调下进行。
               1999年增加了两个补充版本:802.11a定义了在5GHz的ISM频段上的数据传输速率可达54 Mb/s的物理层;802.11b定义了在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11 Mb/s的物理层。2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用,因此802.11b得到了最为广泛的应用。
               WiFi技术的突出优势在于:
               (1)较广的局域网覆盖范围:WiFi的覆盖半径可达100m左右,相比于蓝牙技术覆盖范围较广,可以覆盖整栋办公大楼。
               (2)传输速度快:WiFi技术传输速度非常快,可以达到11Mb/s(802.11b)或者54Mb/s(802.11a),适合高速数据传输的业务。
               (3)无须布线:WiFi主要的优势在于不需要布线,可以不受布线条件的限制,因此非常适合移动办公用户的需要。在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”,并通过高速线路将因特网接入上述场所。
               (4)健康安全:IEEE 802.11规定的发射功率不可超过100mW,实际发射功率约60~70mW,而手机的发射功率约200mW~1W间,手持式对讲机高达5W。与后者相比,WiFi产品的辐射更小。
               GPRS
               GPRS中文是通用分组无线业务(General Packet Radio Service,GPRS)是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它经常被描述成“2.5G”,也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供中速的数据传递。最初有人想通过扩展GPRS来覆盖其他标准,只是这些网络都正在转而使用GSM标准,这样GSM就成了GPRS唯一能够使用的网络。GPRS在Release 97之后被集成进GSM标准,起先它是由ETSI标准化的,但是当前已经移交3GPP负责。
               GPRS区别于旧的电路交换(CSD)连接,连接在Release 97之前(GSM电话功能还没怎么开发)就已经包含进GSM标准中。在旧有系统中一个数据连接要创建并保持一个电路连接,在整个连接过程中这条电路被独占直到连接被拆除。GPRS基于分组交换,也就是说多个用户可以共享一个相同的传输信道,每个用户只有在传输数据的时候才会占用信道。这就意味着所有的可用带宽可以立即分配给当前发送数据的用户,这样更多的间隙发送或者接受数据的用户可以共享带宽。Web浏览、收发电子邮件和即时消息都是共享带宽的间歇传输数据的服务。
               3G
               3G全称第三代移动通信技术,相对1995年问世的第一代模拟制式手机(1G)和1996—1997年出现的第二代GSM、CDMA等数字手机(2G),第三代手机一般是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
               第三代手机能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务,无线网络必须能够支持不同的数据传输速度,也就是说,在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2MB/s、384KB/s以及144KB/s的传输速度。
               国际上3G手机有三种制式标准:欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA2000标准和由中国科学家提出的TD-SCDMA标准。
                      WCDMA
                      WCDMA,全称为Wideband CDMA,也称为CDMA Direct Spread,意为宽频分码多重存取,这是基于GSM网发展出来的3G技术规范,是欧洲提出的宽带CDMA技术,它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同,目前正在进一步融合。WCDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商,包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电,以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上,对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。因此WCDMA具有先天的市场优势。WCDMA已是当前世界上采用的国家及地区最广泛的,终端种类最丰富的一种3G标准,占据全球80%以上市场份额。
                      CDMA2000
                      CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术,也称为CDMA Multi-Carrier,它是由美国高通北美公司为主导提出,摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与,韩国成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的,可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G,建设成本低廉。但使用CDMA的地区只有日、韩和北美,所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的,许多3G手机已经率先面世。该标准提出了从CDMAIS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术,通过采用三载波使带宽提高。中国电信正在采用这一方案向3G过渡,并已建成了CDMAIS95网络。
                      TD-SCDMA
                      全称为Time Division-Synchronous CDMA(时分同步CDMA),该标准是由中国大陆独自制定的3G标准,1999年6月29日,中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向ITU提出,但技术发明始于西门子公司,TD-SCDMA具有辐射低的特点,被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中,在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外,由于中国内地庞大的市场,该标准受到各大主要电信设备厂商的重视,全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节,直接向3G过渡,非常适用于GSM系统向3G升级。军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务。相对于另两个主要3G标准CDMA2000和WCDMA,它的起步较晚,技术不够成熟。
               AFDX
               针对大型客机飞行关键项目和乘客娱乐等设施的复杂航空电子系统的不断增加,需要大量增加飞机上的航空总线的带宽并提高服务质量,产生了一种采用航空电子全双工通信以太网交换(AFDX)的解决方案。该方案是基于商业以太网标准,采用目前已被广泛接受的IEEE 802.3/IP/UDP协议,并增加了特殊的功能来保证带宽和服务质量,实现了低成本的快速开发。该方案还可以简化布线,减轻飞机重量,易于航空电子子系统的维护升级等。
               AFDX总线主要包含了End System(终端)、Switch(交换机)、Link(链路)。它是基于一种网络概念而不是通常所说的总线形式,在这个网络上有交换机和终端两种设备,终端之间的数据信息交换是通过VL(虚拟链路)进行的,VL起到了从一个唯一的源端到一个或多个目的端逻辑上的单向链接,且任意一个虚拟链路只能有一个源端。
               整个AFDX协议栈主要作用是有效、及时地封装处理接口端的发送和接收数据。AFDX的信息流程包含在链路层中。当在AFDX端口间传送信息时,牵涉到发送端口、AFDX交换机和接收端口的协同工作,并配置合理的地址,使信息到达需要到达的端口。
               FC
               Fiber Channel(FC)是由美国标准化委员会(ANSI)的X3T11小组于1988年提出的高速串行传输总线,解决了并行总线SCSI遇到的技术瓶颈。FC总线技术由于具备高速率的数据传输特性、较高可靠性、可扩展性强等特点被认为是未来航空总线发展的主要数据总线之一。目前支持1x、2x、4x和8x的带宽连接速率,随着技术的不断发展该带宽还在不断进行扩展,以满足更高带宽数据传输的技术性能要求。
               光纤通道具有如下特点:
               (1)高带宽、多媒介、长距离传输:串行传输速率已由最初的1Gb/s提高到4Gb/s,并且正在向更高速率、更大数据吞吐量发展,适用于不同模块间大规模应用数据(如音频、视频数据流)交换;以光纤、铜缆或屏蔽双绞线为传输介质,低成本的铜缆传输距离为25m,多模光纤传输距离为0.5km,单模光纤传输距离为10km。
               (2)可靠性与实时性:多种错误处理策略,32位CRC校验,利用优先级不同适应不同报文要求,并解决媒介访问控制时的冲突,传输误码率低于10~12,端到端的传输延迟小于10μs,支持非应答方式与传感器数据传输。
               (3)统一性与可扩展性:可以方便的增加和减少结点以满足不同应用需求,拓扑结构灵活,支持多层次系统互连,利用高层协议映射提高兼容和适应能力。可以把SCSI、IP、ATM等协议映射到光纤通道上,以有效地减少物理器件与附加设备的种类并降低经济成本。
               (4)开放式互连,遵循统一的国际标准。光纤通道(FC)是高吞吐量、低延时、包交换及面向连接的网络技术。整个标准系列还在不断的发展,其中用于航空领域-航空电子系统环境工程(FC-AE)的协议规范已经定制了5种,分别是:无签名的匿名消息传输(FC-AE-ASM)、MIL-STD-1553高层协议(FC-AE-1553)、虚拟接口(FC-AE-VI)、FC轻量协议(FC-AE-FCLP)、远程直接存储器访问协议(FC-AE-RDMA)。
 
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