通信基础

(一) 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念

数据data：传输信息的实体，通常是有意义的符号序列
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道，可分为
- 按传输信号分
  - 模拟信道--传送模拟信号
  - 数字信道--传送数字信号
- 按传输介质分
  - 无线信道
  - 有线信道
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。分为
- 数字信号/离散信号：代表消息的参数取值是离散的
- 模拟信号/连续信号：代表消息的取值是连续的
信源：产生和发送数据的源头
信宿：接收数据的终点
码元：码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散数置的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元,而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。一码元可携带多个比特的信息量，单位是波特--B(Baud)
波特:波特(Baud)即调制速率，指的是有效数据讯号调制载波的速率，即单位时间内载波调制状态变化的次数。它是对符号传输速率的一种度量，1波特即指每秒传输1个符号，而透过不同的调制方式，可以在一个码元符号上负载多个bit位信号。[1]“波特”（Baud）本身已是速率，所以不需要写成 Baud Rate（Rate 是赘字）。单位“波特”本身就已经是代表每秒的调制数，以“波特每秒”（Baud per second）为单位是一种常见的错误，但是在一般中文口语化的沟通上还是常以“波特率”来描述“波特”（Baud）
速率：即数据的传输速率
- 码元传输速率：又称码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特
- 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s)
带宽
- 模拟信号系统中：也称频带，当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)
- 数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)

(二) 奈奎斯特定理与香农定理

1、失真：失真（英语：distortion）指的是指一个物体、影像、声音、波形或其他信息形式其原本形状（或其他特征）的改变现象。
2、码间串扰--失真的一种现象：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
3、奈氏准则(奈奎斯特定理):在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz
- ①理想低通信道下的极限数据传输率=2W(b/s),其中V是几种码元/码元的离散电平数目
- ②在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
- ③信号的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
- ④奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制
- ⑤由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多比特信息量，这就需要采用多元制的调制方法
4、香浓定理
- 噪声与信噪比：噪声存在于所有电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即信噪比(dB)=10
- 香浓定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。信道的极限数据传输率=W(b/s)
- 一些结论：
  - ①信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
  - ②对一定的传输速率和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
  - ③只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
  - ④香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
  - ⑤从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传送速率没有上限
5、"Nice" VS "香浓"

(三) 编码与调制

1、信道上传送的信号
- 基带信号:将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
- 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)
- 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
- 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出)
2、编码
- 特点：数据数字信号
  - 数字数据+数字发送器数字信号，分为以下几种方式
    - ①非归零编码(NRZ--Non Return To Zero)：高1低0。编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步(如果数据是一长条1或零，则接收端就不知道送了多少个数据，所以需要规定时钟周期，即图中的虚线)
    - ②归零编码(RZ--Return To Zero):信号电平在一个码元之内都要恢复到0的编码方式
    - ③反向不归零编码(NRZI--Non Return To Zero Inverted Code):信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
    - ④曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1：码元0则正好相反。也可以采用相反的规定，该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)，又作数据信号，但它所占频带宽度是原始基带宽度的2倍,每一个码元都被调成2个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2(曼彻斯特编码用两个比特代表一个二进制位，如'01'代表传输一个0)
    - ⑤差分曼彻斯特编码：同1异0。常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平于上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码
    - ⑥4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，只采用16种对应16中不同的4位码，其他的16种作为控制码(帧的开始和结束，线路状态信息等)或保留。编码效率为80%
  - 模拟数据+PCM(脉冲编码调制--Pulse Code Modulation)编码器数字信号
    - 理解 2：模拟信号都可以用正弦波形式表示，即y=A,对于一个正弦波形的一个周期，由于已知，还需两个点才能求出该正弦波，即一个周期需要采样两次，那么采样频率为1s内采样次数为2
3、调制
- 特点：数据模拟信号
  - 数字数据+调制器模拟信号，数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程
    - 调幅--二进制振幅键控(2ASK--Amplitude Shift Keying)
    - 调频--二进制频移键控(2FSK--Frequency Shift Keying)
    - 调相--二进制相移键控(2PSK--Phase Shift Keying)
    - 调幅+调相QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交振幅调制
  - 模拟数据+放大器调制器模拟信号
    - 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式：模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的

(四) 电路交换、报文交换与分组交换

1、为什么要数据交换

2、电路交换

①电路交换的原理：在数据传输期间，源节点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持
②电路交换的阶段：建立连接(呼叫/电路建立)通信(数据传输)释放连接(拆除电路)
③特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输
④电路交换的优缺点：

电路交换优点	电路交换缺点
传输时延小	建立连接时间长
数据顺序传送，无失序问题	线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低
实时性强，双方一旦建立物理通路，便可实时通信，适用于交互式会话类通信	灵活性差，双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立连接，不适应突发性通信
全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道	无数据存储能力，难以平滑通信量
适用于模拟信号和数字信号	电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信
控制简单，电路的交换设备积控制较简单	无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制

3、报文交换

①报文：报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变
②报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式
③报文交换的优缺点：

报文交换优点	报文交换缺点
无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文	实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延
动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量	指适用数字信号
提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输	由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的每个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲区存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延
提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道
提高多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址
在存储转发过程中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信

4、分组交换

①分组：大多数计算机网络都不能连续地传输任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组(packet)
②分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送结点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文
③分组交换的优缺点

分组交换优点	分组交换缺点
无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组	尽管分组交换比报文交换的传输时延少(一大块数据全部进入存储器后才能转发和一个个小块数据进入存储器后就能转发)，但仍存在存储转发时延,而且其结点交换机必须有更强的处理能力
线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道	每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间
简化了存储管理，因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易	当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序等问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放等三个过程
加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作；传输一个分组比一份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间
减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延
分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信

5、数据交换方式的选择

(五) 数据报与虚电路

1、数据报
- 数据报方式
  - ①源主机(A)将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点(A)
  - ②结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同的分组的下一跳结点可能不同
  - ③结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认消息(ACK--Acknowledge character确认字符)，A收到确认后则丢失分组
  - ④直到所有分组到主机B
- 数据报方式的特点
  - ①数据报方式为网络层提供无连接服务(不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同)。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组
  - ②同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失
  - ③每个分组在传输过程中都必须携带源地址的目的地址，以及分组号
  - ④分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可以根据情况丢失部分分组
  - ⑤网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信
2、虚电路
虚电路方式
- ①虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，发挥二者优点
- ②虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径(逻辑连接)，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都要维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息
- ③过程：
虚电路方式的特点
- ①虚电路方式为网络层提供连接服务(首先为分组的传输确定传输路径(建立连接)，然后沿该路径(连接)传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接)。源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接
- ②一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失
- ③分组通过虚电路上的每个结点时，结点只进行差错检测，不需要进行路由选择
- ④每个结点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务
- ⑤致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或链路的虚电路将会遭到破坏
3、数据报&虚电路

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证分组的有序到达	保证分组的有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错控制和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

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