大话通信 第2版

话说“通信”的基本概念
我们正处在一个高速变革的时代。信息技术、通信技术和数据技术的发展，改变了全人类的经济、政治、军事、工作、生活、娱乐以及你能想到的和想不到的所有领域。我们身在其中，每天感同身受。而如果你手里正捧着这本书，恭喜你，你和我们一样，是这个大行业中的一员，而正是这个行业，充当着这次科技浪潮的中流砥柱。
中国人流行谈论计算机的发展，老杨也经常给朋友们讲，本人当年买过CPU主频133MHz、硬盘1.2GB、内存32MB的计算机，这样的配置足以把同宿舍的人羡慕得要死。每个人都能如数家珍地聊自己用过的手机，无论是N 牌、E 牌还是M 牌，那些曾经带给我们无数惊喜的新手机，如今它们都哪里去了？那些当年高贵的“奢侈品”，今天大部分已经成为“电子垃圾”。如今我们广泛应用的科技产品，很可能在几年后又成为新的垃圾，无论你手上、桌面上、客厅里的电子产品在今天看来有多么炫酷。“摩尔法则”一次又一次被验证。
十多年前，中国人流行谈论电话号码的不断升位和手机的更新换代。然后是计算机的更新换代，然后是手机的屏幕大小变化——越来越小，然后越来越大，屏幕上角的显示，从GSM到3G到4G再到5G字样。我们曾经为拥有部手机欣喜若狂，后来为能春节群发短信热泪盈眶，再后来为拥有一个QQ号与朋友天南海北地聊天、没事发个表情觉得难以置信，而今天抱着手机看着抖音、快手，聊着微信、陌陌，看着微博、朋友圈，没事上美团、饿了么订个餐，到、天猫下个单，出远门用滴滴打个车，路上顺便玩一玩《绝地求生》或者《王
者荣耀》，休息前听一听罗辑思维或者喜马拉雅，这都是通信技术带给这个社会的变化。
这10年，越来越多的企业开始谈论云计算、大数据、人工智能、物联网、AR/VR。这些都深刻改变着所有企业的生产经营方式。企业的服务器，要虚拟化、云化、资源池化，企业的市场营销手段，越来越多地需要大数据支撑，企业的决策机制，需要人工智能，各个领域都可能需要AR/VR，企业的生产、制造、销售全过程需要物联网，企业的门禁系统需要人脸识别，企业的网络安全需要态势感知，企业的个性化需求需要按需定制网络、定制服务??
计算机技术和通信技术在飞速发展，它们的结合具有划时代的意义。以计算机为代表的IT 产业和以语音、数据通信为代表的CT 产业，在进入21世纪后，融合为ICT 产业，这是IT和CT产业融合的新产业。近十多年又有数据技术（DT）的发展，DICT成为新的行业总称号。DICT 带来了一切可能带来的东西，不管这些东西是好的还是坏的。
通信人在不经意间成为历史的见证者。通信与每个人关系密切的，应该就是各种通信终端了，如手机、电话机、PAD、电视机，当然也包括计算机。本书除了介绍这些大家都能见到的“终端”外，还要介绍让这些终端成为通信手段和工具的“背后”的东西——通信网！
本书就将专注于通信网的发展变迁及实用技术的讲解。
让我们暂时放下你手上的所有通信设施，放下手机、计算机，放下微信、“吃鸡”游戏，放下微博、抖音，从头开始梳理人类“沟通”这一原始的诉求。
所有人与人之间近距离的直接交流，要么通过面对面地说话，要么用体态（如手势、身形等）表示。如果两个人之间隔着一定距离，那么方法无非以下两种：要么把要表达的内容写到纸上寄给对方，于是从信鸽发展到了邮政业；要么把需要表达的内容转换为文字、声音、标识，再通过某种装置变成电磁信号，通过光纤、铜线、无线等传送方式，从地球的某个角落传送到另外一个角落，于是，从烽火台、信号灯开始，发展到近现代通信业。
我们常常感到，越是简单的词汇越难以解释：它可能随着岁月的流逝而不断演进，比如“宽带”一词，早带宽高于64kbit/s就算“宽带”，现在恐怕100Mbit/s带宽在很多企业都不够用；有的词汇也可能在某个历史瞬间就被人们摒弃了，比如“宽带综合数字网”（B-ISDN）；还可能被其他技术所替代，如“步进式交换机”早已被“程控交换机”所取代，而下一代网络（NGN）、IP多媒体子系统（IMS）又在逐步替换程控交换机。现在这些名词，
在不久的将来被演进、替代或者干脆彻底消失，这只是个时间问题。
要研究通信，就要先了解简单的、常用的沟通表现形式——就是两个人的交谈。两个人站在那里，你一言，我一语，说得不亦乐乎——千万别小看这生活中每天都发生无数次的细节，里面蕴含着通信的诸多要素呢。首先，通话至少需要甲乙双方（一个人的自言自语当然不能归结为“通信”的范畴），甲说一句话，乙听到了，甲就是信息的源头，而乙呢，是信息的“宿”，就是信息“目的地”。甲的声带、腹腔、胸腔的振动，通过声波传到乙的耳朵里，乙接收；接着乙做相同的动作，发出声波并在空气中传到甲的耳朵里，甲接收。当然，假如甲在讲台上做报告，乙、丙、丁等人坐在下面听，这也是一种沟通交流的方式。甲对乙说话叫作“单播”，甲对一群人说话叫作“广播”。假如甲是老师，他对教室里喊一句：“所有男生请起立！”这种情况叫作“组播”。因为他并不是给每个人说话，教室里坐的有男生，也有女生，他说话的对象是人群的一部分（“男生”）。沟通的目标对象不同，在通信技术中采用的技术制式就有可能有差异。

通信技术研究的就是从信息的源头到信息的目的地整个过程的技术问题。但是不管什么情况，你都可以把通信的源头和目的地分别想象为一个人群或者物群，比如想象成两个人、三个人或者一万个人，两个物体、三个物体或者一万个物体。
如果本书研究上面所提到的所有沟通过程，恐怕会成为一部鸿篇巨著！因为需要研究的方向太多了！信件、书法、口才、邮路、声波的传送、声带的构造、耳朵的构成、大脑皮层的工作原理等，恐怕都得成为我们的研究内容。而实际上，本书要探讨的仅仅是上述诸多研究对象中的一小部分，从严格意义上说，应该叫“电信”。其他大部分内容，应该在生理学、解剖学、社会学、物理学、文学、流体力学、邮政学中进行探讨，不属于本书的讨论范畴。
上面的内容并不难理解，难理解的是我们经常遇到的一些词义的混乱。比如“通信”“电信”两者经常混为一谈。“电信”是什么？专家如是说：通过电磁信号传送媒体情报的方式叫作电信。简单讲，可以说电信就是用电或者磁信号，把要表达的信息传递到目的地去。在这里，老杨不想过多地解释“媒体情报”是什么，因为人人都知道通过通信网要传送、能传送什么信息，但是为了规范化，专家们用这么一个稍显神秘的词汇来表示，是为了涵盖所有可能传送的信息以及规避那些钻牛角尖的人的发问。若干年前就有人提出，用手电筒开关打出“三长两短”算不算电信呢？如果这“三长两短”是从灯塔向外发出的信号，表示发送人正处于危险的状态，那么当然算电信，并且还算光通信呢！因为它的确利用了电磁信号（光也是一种电磁信号），并且传递了“媒体情报”！专业化术语，可能会让初学者感到茫然和不知所云，但也许当你再深入学习一段时间后，你会认为这样的定义其实是有价值的。
在工程实践中，人们常说的“通信”和“电信”已经混乱了。“通信原理”其实应该是“电信原理”，“通信网”其实应该是“电信网”。我们只能按照人们的一般习惯，继续使用“通信”这个词，但是大家一定要知道，本书涉及的所有内容，都与电磁信号传送媒体情报有关。
研究通信的人不得不研究网络，因为通信要将信息从源头送达目的地，信息就必须通过中间的各种线路、设备、转换装置等，或者通过空气进行传送。而这些线路、设备等连接在一起就构成了网络，来满足信息传递的相关条件。
我们举个例子来说明通信网络到底是怎么回事，对读者会有所帮助。生活中与通信学类比好的例子，是道路交通。本书很多通信的概念，都会用道路交通来做比对。繁忙的城市，货物要被运送，人要去往自己的目的地，整个城市的交通道路网络是极其重要的。城市就好比整个通信系统，货物、人就像通信系统要传递的信息，道路交通设备就像通信系统中的传送网、交换网、路由网等各种技术体系的网络架构，道路交叉点就是通信网络中的交换机、路由器等。当然，道路交通中的交叉点，也就是十字路口、丁字路口、多岔路口等，我们是不需要购买的，而通信网络中的这些“交叉点”，是价格昂贵的通信设备。
在交通规划中，必须保证任何地点出发的交通工具（无论装载着货物还是人）都能安全、顺利、完整地到达目的地。如果是运送货物，你需要将货物拆分、打包；如果是运送人，你要将人群分组。接着，就要选择合适的交通工具，比如选择大型货车、小型货车、公交车、出租车或是地铁。交通工具不能超载，要严格遵守交通规则??这就是通信网中的编解码以及数据分组格式的选择。当然，通信网与道路交通网的另一大区别是，如果在道路交通中丢失了货物或者人，“补办”成本非常高，有的甚至无法补办。但在通信网络中，通过合理的握手协议的设置，在丢失了信息后，接收端或者中间节点可以要求发送端重新发送一份一模一样的信息，而这个成本，是很低的。
好，假设你开车从王府井去鸟巢，你可以根据自己的经验或查看地图来选择畅通的道路行驶，也可以收听FM103.9北京交通台，实时获取的路况信息来选择路径。在通信网中，这就是路由协议、流量工程等涉及的知识了。
形象地说，通信人不断地进行通信中的“道路”“车辆”以及“信号灯装置”和“交通规则”的标准定义、设计、开发、制造、建设、维修及维护，并向有运送需求的人提供有偿服务。
这时候我们发现了一个重大问题：我们人与人之间的沟通，有特定的语言，比如中国人之间说话用汉语，双方能够比较好地表达思想。但是，通信过程中涉及的都不是生物，除了通信终端边上的人以外。带有路由、交换、传输、转换、复用功能的通信设备，都没有真正意义上的智能，多也就是“人工智能”。在科技还没发达到人工智能完全代替人类的时候（当然，人类是否愿意被完全替代，还要另议，这也不属于本书的讨论范围），通信各个环节之间的沟通是靠什么？靠信号！而这些信号必须具备一些基本的规则，比如我告诉你我正在吃饭，我可以直接用嘴告诉你。可是如果我不想说话呢？我可以左手端在下巴下20cm处，手心朝上，右手握成窝状，频繁在左手和嘴之间上下移动，对方看到后就知道，这大概是表示吃饭的动作。你的眼睛要根据看到的东西判断我表达的意思。通信各个环节之间的沟通也是一样的，手机如何告诉基站其所在的位置？电话机如何告诉对方“我摘机了，准备拨号”？如何向对方表达我正在拨号？交换机A怎么知道交换机B是北京的交换机，而自己身处上海呢？有大量的消息要在人所发明的机器之间相互传送。一方要表达的含义，另外一方如何能接收并且接受？很简单，我们要设置一些让对话双方都看得懂或者理解得了的“消息”。在通信技术中，如果A告诉B一件事情，它们之间必须预置共同的、双方都能理解的语言。这种语言，在通信技术中被称作“通信协议”。通信信号所经过的所有节点设备，都要通过硬件和软件的配合，让它们都“内置”相关的通信协议，这就是通信产品开发人员及安装配置人员所要做的事情。
虽然现代通信技术的发展时间在人类整个历史中的占比非常小，但是人类创造出的通信协议却非常多，它们互相继承、竞争、取代，也经常互相配合、互相取长补短，共同发展。很多通信专业书籍，都在讲通信协议的创建目的、创建过程、协议本身以及由此带来的新问题。在本书中，我们将为各位读者描述当代流行的众多通信协议究竟要解决哪些问题，以及它们是如何解决这些问题的。
对于新入门的读者，一定要明确：通信和数学不同。数学是诠释大自然普遍规律的基础学科，任何定律，虽然是人发现的，但没有人感性的成分存在。而通信则不同，通信中的大量协议，是在科学基础上人为定义的，比如IP数据包的长度范围，它符合科学规律，能够提高效率，但并非只能是这个范围，当然，在人们定义明确以后，就不能再去随意更改和调整了；再比如PCM编码，就是打电话的声音在铜线上传送时编成的二进制码，就像发电报要用电报码一样，也是人定义的，你当然可以自己做一套新的编码方式，但是必须让国际标准化机构认可，否则你无法与其他厂家的产品进行互连互通，如若不然，再好的编码方式，恐怕都不会被大众所应用。这就像人类的语言，我们有科学的、合理的部分，但有些也是人类约定俗成的，为什么英语疑问句要倒装，为什么汉语多个字可以是同一个音？这是人类自己定义的，只要大家都遵守即可，无须过度纠结。
上述状况，造就了在同一个技术规范下，不同的标准化组织可能会定义不同协议的情况，就像同是汉语的同一个词，不同方言的读法、用法也未必完全相同一样。本书中会提到很多这样的案例。所有的通信协议都是通过通信标准进行定义和规范的。通信标准是各个国家之间、机构之间、企业之间或者国家内部协商确定的。这就好比每个国家都要指定各自的官方语言，以统一各种方言一样，中国就要推广普通话，这是所有中国人沟通和交流的基础。当然，也有一些行业自己定义了自己的标准，我们一般称之为“行业标准”。
上述内容，虽然描述啰唆一些，但对后续章节的理解有益。接下来，老杨需要对通信中诸多基本技术术语进行简要解释。这些解释，很遗憾，就像新华字典的词条一样，很多都属于“自己解释自己”，如果读者仍无法完全理解下面所谓的“基本概念”，不妨去查查相关资料，或者硬着头皮背下来，并在后面文字中提到这些词汇的时候多思考，以期领悟并终融会贯通。
信号：通信信道上传输的电编码、电磁编码或光编码叫作信号。信号分为模拟信号和数字信号两类。
信道：信道是传送信号的通路。信道本身可以是模拟方式的，也可以是数字方式的。用以传输模拟信号的信道叫作模拟信道，用以传输数字信号的信道叫作数字信道。
信息：这是一个人人都知道是什么但要严格表达其概念又十分困难的术语。从哲学的观点看，信息是一种带普遍性的关系属性，是物质存在方式及其运动规律、特点的外在表现；从通信的角度考虑，可以认为是生物体通过感觉器官或具有一定功能的机器通过特定装置同外界交换的内容的总称。信息的含义是信息科学、情报学等学科中广泛讨论的问题。一般认为，信息是客观世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一。信息总是与一定的形式相联系，就像是灵魂，需要搭载在不同的载体上，这些载体可以是语音、图片、文字、视频等，信息是通过通信系统传递的内容。好了，有人问，孩子的哭声是不是信息？回答：是的。因为孩子的哭声是孩子通过感觉器官（喉咙、嘴巴）同外界交换的内容（要吃饭、要睡觉等），只是这个信息不容易被常人理解罢了，做了父亲的老杨当然还是有些研究的。
数据：它是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。可以说，数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或表达形式。在通信中传递的信息一定要“数据化”，无论什么内容，一定要通过某种数据的形式传递到对端，无法用数据描述的信息是无法传递的，比如至今人类还无法通过电信网传递的气味、直觉等。数据的形式要明确，但数据本身未必是明确的。这仿佛有点逻辑混乱，我们举例说明：A通过电话告诉B，他不一定有空赴宴——其表达的意义是模糊的、不确定的，但是其数据形式是清楚的、确定的——因为A赴宴的可能性有3种，我们用3个数字表示：一定不去（“00”），不一定去（“01”），一定去（“11”），而A告诉B的，是第二种（“01”），这是非常明确的。因此，在A 表达了此意以后，B获得的消息是“A对赴宴的选择是01”。
通信网中的很多概念其实是模糊的，比如有了异步转移模式（ATM）技术之后，把以前的同步数字序列叫作同步转移模式（STM），但是，分组交换（如IP交换）是哪种转移模式？很遗憾，没人把IP称为“异步转移”。HFC本来是混合光纤同轴技术，应该说所有“光纤 同轴”传送技术都应该被称为HFC，但是现在却被特指为双向改造后广电网络的“光纤 同轴”技术了。
历史变革形成了复杂的、多样的技术体制，产生了数不清的名词术语，这让初学者们叫苦不迭，很多传统的学习方法不能有效利用，很多“举一反三”往往得到错误的结论，看似不合理的设计其实是有无数苦衷的。造成这种情况的原因，老杨归纳如下。
我们要用发展的眼光看待这种状况。任何时代都不可能忽略过去多年的技术积累和资本投入，去重新设计一套与原有技术毫不相干的革命性技术并付诸实践。
由于电信概念、机理和技术发展太快，专家们来不及仔细考虑某个标准定义可能带来的后果；工作在一线的人因为工作繁忙，来不及理解透彻，而工作在二线的人因为离开了一线，未必能认识到讨论某些概念有何意义。
某些企业出于商业运作的考虑，不断推陈出新，这些概念，有些成长起来了，而有些中道夭折了，但也带来了学习中的困难。
相互替代性较强的概念，有的定义比较含糊，如雾计算和边缘计算，它们其实是有一定区别的，必须深入了解才能得其详。
通信专家的工作习惯和命名时存在的某些缺陷扩大了概念混淆，如前文提到的ATM和STM，又比如接入网（AN，Access Network）仅指语音网的V5 接入系统，很少用AN来表示数据接入网。
总之，很多通信概念的模糊，都是事出有因的。概念模糊和混淆不可能完全澄清，但也不能放任自流。人们可以识别一些一时出现的概念混淆，却不能脱离永恒的技术融合与技术发展，而在此过程中又不断产生新的、混淆的概念。这种“大体的平衡”将在通信行业或者电信行业中长期存在。

本书从通信发展的历程切入，从人们熟知的通信手段着手，以独特的视角说明通信的目的和方式。本书作者用独特、风趣的写作方式，从通信网络的基础架构到先进的技术，从通信的服务和运营到通信在人们生活中的应用，从基础设施建设到产品开发基础，通俗地诠释了现代通信的主要技术。

杨波

通信行业20年从业经历，曾供职于大唐电信，后独立创业，著有《大话通信》 《一本书读懂TCP/IP》,目前创业公司从事数据通信、物联网等方面的产品开发工作。

王元杰

中国通信学会普及与教育工作委员会，中国通信学会会员，工程师，中国联通战略人才、技术能手、知识型员工，参与出版《无处不在的网络》《走近传送网》《一本书读懂TCP/IP》《努力奔跑，只为遇见更好的自己》等12本著作。

周亚宁

通信行业20年从业经历，供职于中国联通集团，工程师，从事网络维护工作。

第　1章通信发展史　1

古代通信：信息沟通的起步　3

近现代通信：电磁通信和数字时代的起步　4

当代通信：移动通信和互联网时代　7

未来通信：大融合时代　9

第　2章用什么实现通信　11

电信网中的通信工具　13

互联网的通信手段　15

专业领域的通信工具　18

家电中的通信工具　20

第3章通信到底是干嘛的　23

第　1个问题：用什么信息格式传递给对方——编码　25

第　2个问题：如何找到对方——寻址　27

第3个问题：信息传递的额外要求——网络优化　28

额外的一个问题——人性化　30

第4章说说“编码”　31

开场白　32

从声音到模拟信号　34

模数/数模转换（A/D和D/A）、PCM和线路编码　36

复用与解复用　41

波特率和比特率　45

几种典型数据技术的数据格式　46

数据包、帧和信元名称的统一问题　59

图像和视频编码　59

第5章讲讲“寻址”　61

开场白　62

电话交换网的寻址　65

以太网内的寻址　66

IP网的寻址　68

怎么会有这么多地址？　79

第6章谈谈“优化”　81

处处都有“优化”在　82

分工和职责——通信分层结构　84

一根线“掰”成几“瓣”用——复用技术　88

“排兵布阵”有讲究——网络拓扑浅析　90

开车还是坐地铁？——面向连接和非面向连接　91

不可忽视的通信网络“摩擦力”——传输损耗　95

“非诚勿扰！”——网络安全基本概念　96

浓缩的，都是精华！——通信压缩技术　101

服务第　一，顾客至上！——通信服务质量　102

从几个案例来看优化　103

节能与综合利用　110

第7章通信网络基础框架透视　113

传送网——