编辑推荐
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内容简介
本书全面地介绍了数据通信的基本原理,从LTE承载的通信架构出发,对IP基础内容、通用数据链路层技术、常用路由协议、MPLS关键技术进行了详细介绍;同时,也对IP的后续演进协议IPv6、安全设备防火墙、SDN等进行了简单的描述。书中包含了大量的图片,同时内嵌了视频二维码,提供了在线视频学习的途径。相比传统教材而言,本书内容新颖,可操作性强,简明易懂。本书实用性强,内容覆盖了华为工程师HCNA认证的知识点,同时包含了一些现网的故障案例。通过本书内容的学习,学员能够完成华为HCNA认证。本书的故障案例也能培养学员动手解决实际问题的能力,积累现网的应用经验。
作者简介
赵新胜,男,1963年10月生,东南大学、信息科学与工程学院,移动通信国家重点实验室,教授/博导。分别在西安电子科技大学通信工程专业、南京通信工程学院通信与电子系统专业和东南大学通信与信息系统专业获学士、硕士和博士学位,美国加尼福尼亚大学圣 地亚哥分校无线通信中心访问学者。目前的主要研究方向为新一代移动通信系统、自组织认知无线网络、无线资源管理算法和认知无线电等。
一直从事有线通信网、无线通信网络、无线接入网网络结构、网络传输协议、无线资源管理等方面的教学、创新研究和系统开发工作。曾在南京通信工程学院程控教研室从事程控交换机、分组数据网络等教学和科研工作,在东南大学工作期间曾多次主持和参加国家科技重大专项、863重大科技课题、国家自然科学基金课题、国际和国内合 作等技术研究工作。在“CDMA移动台”“CDMA2000_1x MT分系统”“Beyond 3G蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发”“LTE业务应用及网络演进研究”“协同分布式MIMO无线网络中天线资源调配方法研究”“面向M2M业务的3G /LTE无线网络关键技术研究及标准化”“TD-LTE-Advanced系统试验设备开发”“基于TD-LTE公网集群业务系统研发与验证”和“TD-LTE/TD-SCDMA基带专 用芯片及小型化基站研发课题”等一系列重大科技项目研究工作中,成功地完成了创新研究和系统开发工作,并作为主要技术骨干或项目负责人完成了与西门子公司、NTT DoCoMo公司、华为公司和Intel等公司的合 作研究,均达到预期的研究成果。
已在国内外核心期刊及学术年会上发表论文50多篇,曾多次担任国际会议分组主 席,已申请国家发明专利40多项,多次主讲计算机网络、程控交换、信息网基础、通信原理等课程,编译出版了《计算机通信网》和《通信系统工程》教材。
目录
第 1章 数据通信基础 1
1.1 移动通信网络 2
1.1.1 移动通信网络架构 2
1.1.2 ALL IP的发展趋势 3
1.2 网络互联基础 4
1.2.1 网络互联的基本概念 4
1.2.2 OSI参考模型 6
1.2.3 TCP/IP参考模型 8
1.2.4 数据的封装和解封装 11
1.2.5 协议和标准 12
1.2.6 网络类型和拓扑结构 18
1.3 以太网 20
1.3.1 以太网基本概念 20
1.3.2 以太网线缆标准 21
1.3.3 以太网工作原理 24
1.3.4 以太网端口技术 29
1.3.5 ARP 31
1.4 广域网 33
1.4.1 广域网技术 33
1.4.2 HDLC工作原理 33
1.4.3 PPP工作原理 35
1.4.4 FR工作原理 44
1.5 IP 49
1.5.1 IP编址 49
1.5.2 子网划分 52
1.5.3 IP网络排错 55
1.6 上机练习 58
练习任务一:以太网接口配置 58
练习任务二:HDLC基本配置 59
练习任务三:PPP基本配置 60
练习任务四:帧中继配置 60
1.7 原理练习题 61
第 2章 数据链路层技术及应用 62
2.1 移动承载网络中的数据链路层技术 63
2.2 VLAN技术 63
2.2.1 VLAN简介 63
2.2.2 VLAN内通信 67
2.2.3 VLAN间通信 68
2.2.4 GVRP 70
2.2.5 VLAN故障案例分析 74
2.3 STP技术 76
2.3.1 二层环路 76
2.3.2 STP工作原理 79
2.3.3 BPDU报文 86
2.3.4 RSTP 90
2.3.5 MSTP 94
2.3.6 STP故障案例分析 98
2.4 链路聚合技术 99
2.4.1 链路聚合的基本概念 99
2.4.2 LACP协议 100
2.4.3 链路聚合的方式 100
2.4.4 链路聚合故障案例分析 102
2.5 VRRP技术 102
2.5.1 VRRP的实现原理 103
2.5.2 VRRP基本概念 106
2.5.3 VRRP协议报文 108
2.5.4 VRRP的状态机 108
2.5.5 VRRP故障案例分析 109
2.6 上机练习 110
练习任务一:VLAN基础及Access接口实验 110
练习任务二:VLAN用户通信实验 112
练习任务三:VLAN路由实验 113
练习任务四:STP基本实验 115
练习任务五:链路聚合实验 116
练习任务六:VRRP基础实验 117
2.7 原理练习题 118
第3章 网络层路由技术 120
3.1 移动承载网络中的网络层协议应用 121
3.2 路由基础 121
3.2.1 IP路由选路 121
3.2.2 路由的来源 122
3.2.3 路由协议的分类 126
3.3 RIP路由协议 127
3.3.1 RIP基本原理 128
3.3.2 RIP报文格式 129
3.3.3 RIP防环路机制 131
3.3.4 RIP故障案例分析 135
3.4 OSPF路由协议 135
3.4.1 OSPF基础概念 136
3.4.2 OSPF协议工作原理 137
3.4.3 单区域OSPF网络 139
3.4.4 多区域OSPF网络 140
3.4.5 OSPF故障案例分析 141
3.5 IS-IS路由协议 142
3.5.1 IS-IS基本概念 142
3.5.2 IS-IS工作原理 145
3.5.3 IS-IS故障案例分析 146
3.6 BGP路由协议 147
3.6.1 BGP概述 147
3.6.2 BGP工作原理 149
3.6.3 BGP选路原则 152
3.6.4 BGP故障案例分析 157
3.7 路由选择与控制 158
3.7.1 路由策略概述 158
3.7.2 路由选择工具 159
3.7.3 路由策略 163
3.8 上机练习 169
练习任务一:静态路由实验 169
练习任务二:RIP路由实验 170
练习任务三:OSPF路由实验 171
练习任务四:IS-IS路由实验 172
练习任务五:BGP路由实验 173
练习任务六:路由选择与路由控制实验 174
3.9 原理练习题 176
第4章 MPLS技术 177
4.1 移动承载网络中的隧道技术 178
4.2 MPLS基本工作原理 178
4.2.1 MPLS的基本概念和应用 178
4.2.2 MPLS基本原理 181
4.2.3 LDP邻居发现和会话建立 186
4.2.4 LDP标签管理 190
4.2.5 LDP的实现 195
4.2.6 MPLS LDP故障案例分析 196
4.3 BGP/MPLS VPN 197
4.3.1 BGP/MPLS VPN的简介 197
4.3.2 BGP/MPLS VPN的基本概念 198
4.3.3 BGP/MPLS VPN的实现原理 202
4.3.4 BGP/MPLS VPN的故障案例分析 205
4.4 MPLS L2VPN 206
4.4.1 MPLS L2VPN概述 207
4.4.2 VPWS技术概述 209
4.4.3 VPWS实现方式 209
4.4.4 VPLS技术概述 215
4.4.5 VPLS技术原理与实现 216
4.4.6 MPLS L2VPN的故障案例分析 221
4.5 上机练习 223
练习任务一:MPLS隧道建立实验 223
练习任务二:BGP/MPLS VPN特性验证实验 225
练习任务三:MPLS L2VPN特性验证实验 226
练习任务四:VPLS特性验证实验 227
4.6 原理练习题 228
第5章 IPv6 229
5.1 IPv6背景与特点 230
5.1.1 互联网面临的挑战 230
5.1.2 为什么使用IPv6 231
5.2 IPv6地址结构与格式 231
5.2.1 IPv6地址结构 232
5.2.2 IPv6地址书写格式 233
5.3 IPv6地址类型 234
5.3.1 单播地址 234
5.3.2 多播地址 236
5.3.3 任播地址 236
5.4 IPv6报文结构 236
5.4.1 IPv6报文构成 237
5.4.2 IPv6基本报头 237
5.4.3 IPv6扩展报头 238
5.5 上机练习 239
练习任务:IPv6上机实验 239
5.6 原理练习题 240
第6章 防火墙 241
6.1 防火墙概述 242
6.2 防火墙的区域 244
6.3 防火墙的工作模式 245
6.4 网络地址转换 246
6.5 原理练习题 249
第7章 SDN 250
7.1 SDN的理念和特征 251
7.2 SDN带来的变革和挑战 252
7.3 SDN 新发展 253
7.4 原理练习题 255
附录Ⅰ 华为的通用路由平台VRP 256
附录Ⅱ 华为模拟器eNSP 263
附录Ⅲ 缩略词和图标对照 264
《信号与系统:理论与实践》 绪论:探索信息的流淌与转化 我们生活在一个被信息洪流包围的世界。从清晨唤醒你的闹钟,到深夜点亮的屏幕,再到遥远彼端的实时通信,信息无处不在,并以各种形式在我们之间、在设备之间、在网络中传递、处理和转化。然而,我们是否曾停下来思考,这些看似稀松平常的信息背后,隐藏着怎样的科学原理?它们是如何被编码、传输、解码,又如何被有效地处理和分析?《信号与系统:理论与实践》正是为了解答这些根本性的问题而生。 本书将带领读者踏上一段穿越信号与系统这片广阔而迷人的领域的旅程。我们将从最基础的信号概念出发,逐步深入到复杂的系统分析,最终触及信号处理与系统设计的核心技术。这本书不仅仅是一本学术著作,它更是一本指南,旨在帮助您理解现代科技的基石,培养解决实际问题的能力,并激发您对信息科学更深层次的探索。 第一章:信号的语言——认识信息的载体 一切信息的传递都离不开“信号”。信号,可以看作是携带信息的信息载体。它们可以是物理量的变化,如电压、电流、声音的振动、光强的闪烁;也可以是抽象的数学表示,如数字序列、图像像素值。本章将系统地介绍各种常见的信号类型,包括: 连续时间信号与离散时间信号: 探讨信号在时间维度上的连续性与离散性,以及它们在数学模型上的差异。我们将学习如何用数学表达式精确描述一个信号,理解其波形、幅度、频率等基本属性。 周期信号与非周期信号: 区分具有重复模式的周期信号与变化无常的非周期信号,并介绍傅里叶级数等分析周期信号的重要工具。 能量信号与功率信号: 从能量和功率的角度对信号进行分类,这对于理解信号的传输效率和噪声干扰至关重要。 奇信号与偶信号: 介绍信号的对称性,这在信号分析和系统设计中具有重要的简化作用。 复指数信号与正弦信号: 深入探讨这两种最基础、最普适的信号形式,它们是理解更复杂信号的关键。我们将学习它们的性质,以及它们在时域和频域的表现。 通过本章的学习,读者将建立起对信号的直观认识,能够辨识不同类型的信号,并掌握描述和分析它们的初步数学工具。 第二章:系统的世界——理解信息的处理机制 信号的产生和传递,往往需要通过“系统”来完成。系统,本质上是一个将输入信号转化为输出信号的“过程”或“设备”。它可以是一个简单的电子滤波器,也可以是一个复杂的通信网络,甚至可以是生物体内的信号传导过程。本章将聚焦于系统的数学建模与基本性质: 系统的定义与分类: 阐述系统的输入-输出关系,并根据系统的特性对其进行分类,如时不变系统、线性系统、因果系统、稳定系统等。 线性时不变(LTI)系统: 这是信号与系统理论中最重要的一类系统。我们将详细研究LTI系统的性质,并介绍其核心的分析工具——卷积。 卷积定理: 卷积是LTI系统分析的灵魂。本章将深入讲解卷积的数学定义,并通过丰富的实例展示如何计算卷积,以及卷积在系统响应中的作用。 系统的冲激响应: 冲激响应是LTI系统的一个基本特性,它完全表征了一个LTI系统。我们将学习如何通过冲激响应来预测系统对任意输入信号的响应。 理解系统是如何处理信号的,是掌握信息科学的关键。本章将为读者打下坚实的理论基础,为后续更深入的学习做好准备。 第三章:时域分析——信号与系统的时间维度探索 时域分析,是将信号和系统置于时间维度上进行考察。这是最直观的分析方式,能够让我们清晰地看到信号随时间的变化,以及系统对这些变化的响应。本章将围绕时域分析展开: 信号的运算: 学习如何对信号进行加、减、乘、除、延迟、翻转等基本运算,理解这些运算对信号形状的影响。 系统的时域响应: 重点研究LTI系统对几种典型输入信号(如单位阶跃信号、冲激信号)的响应,理解系统的瞬态响应和稳态响应。 卷积的几何解释: 除了代数计算,本章还将提供卷积的几何直观解释,帮助读者更深入地理解卷积的物理意义。 零输入响应与零状态响应: 分析系统输出的两个组成部分:由系统内部状态引起的零输入响应,以及由外部输入信号引起的零状态响应。 时域分析让我们看到了信号和系统在“眼前”的运作过程,是理解它们动态行为的基础。 第四章:频域分析——揭示信号的频率构成 虽然时域分析直观,但许多信号和系统的特性在“频率域”下更容易展现。频域分析,是将信号分解为其不同频率分量的叠加,从而揭示信号的“频谱”特性。本章将引入强大的频域分析工具: 傅里叶级数: 针对周期信号,介绍傅里叶级数,如何将其分解为一系列正弦和余弦分量的叠加,以及如何求解其频谱。 傅里叶变换: 将傅里叶级数推广到非周期信号,介绍傅里叶变换,以及如何求解任意信号的频谱。我们将学习傅里叶变换的性质,如线性、时移、频移、微分、积分、卷积等。 帕斯瓦尔定理: 理解信号的能量如何在时域和频域之间守恒。 拉普拉斯变换: 引入更通用的复频率域分析工具——拉普拉斯变换。它能够处理更广泛的信号和系统,尤其在分析有界输入下不稳定系统的行为时表现出色。我们将学习拉普拉斯变换的性质、收敛域等关键概念。 频域分析如同给信号“照X光”,能够让我们看到隐藏在表象之下的频率构成,这对于滤波、调制、解调等信息处理技术至关重要。 第五章:离散时间信号与系统——数字世界的信号语言 随着数字技术的发展,离散时间信号和系统在现代通信、控制、计算机科学等领域占据了核心地位。本章将聚焦于数字世界的信号与系统: 离散时间信号: 介绍离散时间信号的表示方法(如序列)、基本运算,以及与连续时间信号的关系(采样)。 离散时间系统: 讨论线性时不变离散时间系统(LTI-DT系统)的定义、性质,以及其核心分析工具——差分方程。 Z变换: 引入离散时间系统的分析工具——Z变换。它相当于连续时间系统的拉普拉斯变换,能够方便地分析离散时间系统的稳定性和频率响应。我们将学习Z变换的性质、收敛域以及它在系统分析中的应用。 离散傅里叶变换(DFT)与快速傅里叶变换(FFT): 介绍DFT,用于分析离散信号的频谱。而FFT作为DFT的高效算法,使得大规模的数字信号处理成为可能。 本章将是连接理论与实际数字应用的关键桥梁,为理解数字信号处理、数字通信等技术奠定基础。 第六章:系统应用与实例分析 理论知识的掌握最终是为了解决实际问题。本章将通过一系列具体的应用实例,展示信号与系统理论的强大威力: 滤波器设计: 介绍不同类型的滤波器(低通、高通、带通、带阻),以及如何利用LTI系统的频率响应特性来设计满足特定要求的滤波器,用于去除噪声、提取特定频率成分。 通信系统模型: 以简化的通信链路为例,阐述信号的调制、解调过程,以及如何利用信号与系统的理论来分析通信的可靠性和效率。 控制系统分析: 探讨如何利用信号与系统的理论来分析和设计反馈控制系统,使其能够稳定地跟踪期望的指令信号。 图像与语音信号处理: 简要介绍图像和语音信号的特点,以及信号与系统理论在这些领域的应用,例如图像压缩、语音识别等。 通过这些实例,读者将能够将所学的理论知识融会贯通,并感受到信号与系统理论在现代科技中的普遍性和重要性。 结语:持续探索的信息科学前沿 《信号与系统:理论与实践》的旅程至此告一段落,但这只是您探索信息科学奥秘的开始。信号与系统理论是连接数学、物理、工程学和计算机科学的桥梁,其应用领域还在不断拓展。从人工智能的深度学习模型,到5G通信的信号编码,再到生物医学信号的分析,信号与系统理论无处不在,并仍在不断发展创新。 本书致力于为您提供一个坚实的理论基础和清晰的实践指导。希望它能点燃您对信息科学的求知欲,激发您解决复杂技术问题的热情,并为您在未来的学习和职业生涯中指明方向。信息的世界充满无限可能,而信号与系统,正是我们理解和驾驭这个世界的关键钥匙。