计算机网络 ——物理层数据通信技术

一、数据通信的基础知识

1. 数据(data)——信息的实体。
   模拟数据：连续变化，如语音，温度等； DATA
   数字数据：离散变化，如文字，整数等。

2. 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
   “模拟的”(analogous)——连续变化的。
   “数字的”(digital)——取值是离散数值

3. 信息(information)——数据的内容/内涵。
   信源——产生和发生信息的设备（计算机）。
   信宿——接收和处理信息的设备（计算机）
   信道——用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
   因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
   数字信道——采用数字信号传输数据的信道。
   模拟信道——采用模拟信号传输数据的信道。

4. 基带信号和宽带信号
   基带信号：就是将数字数据 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
   宽带信号：则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。
   这样由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此合在一起后不会相互干扰，从而可在一条电缆中同时传送许多路的数字信号，提高利用率。

5. 基带传输和宽带传输
   基带传输：数字信号在数字信道上传输；
   使用的数字信号不是简单的基带信号，而是按照一定的编码后变成对应的物理信号在线路上传输，到了接收端再进行解码（是线路编码或信号编码，与文字、语音和图像的编码（信源编码）不同）。
   频带传输：数字数据借助于模拟信道传输。
   这样可以利用已有的非常普遍的模拟电话网，必须使用调制，将数字数据转换为模拟信号发送，到了接收端再进行解调。
   基带传输和频带传输最大的区别就是要不要经过调制，通俗点就是需要不需要调制解调器。
   性能指标和傅立叶分析

6. 数据通信系统的性能指标
   (1)时延：时延指一个数据块（帧、分组、报文段）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间.
   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。
   大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，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)。也有些书籍把分组定义为网络层的协议数据单元。
   (2)发送时间：数据块长度/信息传输速率
   传播时延：信道长度/电磁波在信道上的传播速率
   转发时延：中间结点转发数据引起的时延。
   总时延＝ 发送时间＋传播时延＋转发时延。
   (3)时延带宽积
   时延带宽积＝传播时延 × 带宽 （比特）
   对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到充分的利用。
   (4)RTT（往返时延）
   RTT：从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

7. “压迫”信号的“三座大山”
   时延（transmission delay）
   衰减（attenuation）
   噪声（noise）信号取均值的时候引入了 量化噪声

8. 带宽
   （1）信道的带宽
   数字信号的传输可以看成是无限个傅立叶分量构造成的信号在信道中传输。
   传输的质量主要受衰减、失真等因素影响。
   但实际上，所有的传输设施对于不同的傅立叶分量的影响并不相同，因此会导致信号变形。
   在传输过程中，振幅（能量）不会明显减弱的这一段频率范围成为带宽
   此时强调的带宽是 信道的带宽；
   信道的带宽越高，传输信号的能力越强。
   （2）信息传输速率
   就是计算机网络的带宽，指计算机网络可通过的最高数据率，即每秒多少比特。单位为比特/秒，即b/s，又称比特率（bps）。
   通常所说的100兆的以太网其信息传输速率就是100M/s，这里包括传输的净荷以及为控制传输所附加的信息。
   电话线可以传送计算机数据，不过带宽有限。因为电话线主要用于传输人的语音的模拟信号。

9. 宽带
   宽带线路：可通过较高数据率的线路
   宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。
   在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。
   宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。
   宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。
   就像运货，车速一样，车距缩短。
   通信线路上通常都是串行传输

10. 码元传输速率
    码元：一个离散信号（电压）状态或信号事件
    码元传输速率B（信号速率、调制速率）
    定义：每秒传输的码元数
    单位：波特（Baud)

11. 奈氏(Nyquist)准则奈奎斯特（理想状态下，就是没有噪声干扰）
    理想低通信道的最高码元传输速率 = 2H Baud。
    实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。

辨析： 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。
码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。

信息的传输

1. 信息传输速率C（数据传输速率）
   定义：每秒传输的比特数
   单位：比特/秒（bps、b/s、bit/s）
   两者的关系：C＝B×log2V(bps)
   V：一个码元所取得有效离散值个数

2. 信道的极限信息传输速率
   香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。（白噪声(white noise)是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声。从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的"咝"声(每高一个八度，频率就升高一倍。因此高频率区的能量也显著增强)）

3. 信道的极限信息传输速率 C 可表达为（不针对基带信号）
   • C = H log2(1+S/N) b/s
   (S / N )dB *10 *log10 (S / N )
   H 为信道的带宽（以 Hz 为单位）
   S 为信道内所传信号的平均功率
   N 为信道内部的高斯噪声功率。

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。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽 H 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C也就没有上限。

4. 数据的传输方式
   （1）单工、半双工和全双工
   单工传输：在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式，只有一个方向不变的单向信道连接了两个设备。
   半双工传输：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
   全双工传输：（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道，可以同时在两个方向上传输数据。
   （2）串行通信和并行通信
   计算机网络中的通信方式是串行通信！
   （3）同步串行传输和异步串行传输
   同步串行传输：以时钟信号线对传输的数据线上的信号进行比特同步，以数据块（帧或分组）为单位传输。
   异步串行传输：独立时钟，无须同步。以字符为单位进行传输。发送两个字符之间的间隔是任意的，接收方依靠字符中的起始位和停止位来同步。
5. 调制解调技术
   （1）调制解调器的作用
   调制解调器(modem)包括：
   调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。
   解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。
   本课中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器
   调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。
   （2）几种最基本的调制方法
   最基本的二元制调制方法有以下几种：
   调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
   调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
   调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
6. 调制解调器的速率
   目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。

PSTN:公共交换电话网络

#ISP(Internet Service Provider)，互联网服务提供商 （v90下载速度快的原因，后来差不多了）
#在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（Pulse-code
modulation），即脉冲编码调制。

编码解码技术

1. 为什么数字数据不直接使用基带信号在物理信道上传输，而要按一定的方式编码之后再进行传输呢？
   编码更有利于在接收端区分0和1；
   编码可以在传输信号中携带时钟，便于接收端提取定时时钟信号；
   采用合理的编码方式，可以适合信道的传输特性，充分利用信道的传输能力.
2. 信道复用技术
   频分模拟，时分数字，微观串行，宏观并行
   信道复用即频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)，就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。

时分复用系统的应用 脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM) TDM就是时分复用模式

3. 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH
   9.2.1标准：
   1985年，Bellcore提出SONET（Synchronous Optical NETwork）标准。
   1989年，CCITT提出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）标准，与 SONET 有微小差别。
   SONET主要用于北美和日本，SDH主要用于欧洲和中国。
   SONET/SDH，采用TDM技术，是同步系统，由主时钟控制，时钟精度10-9。
   9.2.2基本sonet帧
   •810 字节/125us，所以传输速率为 810  8 /（125  10-6）=51.84 Mbps
   基本SONET信道称为STS-1（Synchronous Transport Signal-1）
   同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal) 的传输速率是 51.84 Mb/s。
   光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。

有向传输介质

双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同轴电缆
50同轴电缆
75同轴电缆
光缆
单模光纤 多模光纤

无线/移动通信技术概论

1. 第一代移动通信：
   LMR :Land Mobile Radio（Push to Talk System)
   结构：发射器，若干对讲机
   技术特点：频率专用，单一频率
   IMTS :Improved Mobile Telephone System
   结构：发射器，若干移动电话
   特点：使用了双频率（上行和下行），频率不是专用。利用FDM划分了信道，按需分配
   AMPS:（Advanced Mobile Phone System）
   对IMTS的改进
   降低发射器的功率，从而缩小了小区的面积；
   增加一个地区划分小区的数量，从而增加了总的用户数量
2. 第二代移动通信
   数字语音
   基本接入方法
   FDMA TDMA CDMA频分多址(frequency division multiple access, FDMA)
   声码器的使用
   不用于PCM
3. 码分复用 CDMA
   常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。
   •各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不
   会造成干扰。
   •这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
   3.1每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)
   每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
   3.2两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：
   一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1
   任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

GSM：全球移动通信系统(Global System for Mobile communications)
1.通话质量。CDMA的通话质量要高于GSM，在相同环境下打电话，CDMA的杂音要比GSM小很多。
2.手机辐射。由于CDMA采用了出色的功率控制技术，因此CDMA手机的辐射要比GSM小很多。 高速数据上网。CDMA1x可以提供高达153.6kbps的上网速率，比GSM GPRS的20几k要快多了。

4. 第三代移动通信
   •IMT2000 International Mobile Telecommunication 2000,其中2000的含义有三个:在公元2000年左右开始使用;在2000MHz左右的频率上使用;支持的业务速率可以达到2Mbps以上。
   •两个标准 WCDMA CDMA2000
   •WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access(宽带码分多址)的英文简称，是一种第三代无线通讯技术。国际电信联盟最终接受WCDMA作为IMT-2000 3G标准的一部分。CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000) 是一个3G移动通讯标准，国际电信联盟ITU的IMT-2000标准认可的无线电接口，也是2G CDMAOne标准的延伸。
   •折衷方案GPRS 3G
   •通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，缩写GPRS。也是第一代移动通信技术的代表。
   第四代移动通信
   LTE
   •UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系统的广泛应用满足了用户对数据业务的需求，有效提高了通话质量和数据速率。

交换

1. 电报网的定义
   文本信息＋二进制编码＋数字传输＋报文交换；
   报文交换的关键技术：编址 路由 存储转发
   跳跃数（分组数据包在网络中从一个路由器或中间节点到另外的节点的行程）
2. 电话网和电路交换
   “交换”(switching)的含义是：转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
   电路交换的特点
   电路交换必定是面向连接的。
   电路交换的三个阶段：建立连接 通信 释放连接
3. 分组交换
   在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。每一个数据段前面添加上首部构成分组，分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）
   每一个分组的首部都含有地址等控制信息，分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，分组就能传送到最终目的地
   接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
   3.1节点交换机
   在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线
   结点交换机处理分组的过程是：
   把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去
   3.2主机和交换机
   主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。
   结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。
   3.3优点
   高效灵活快速可靠
   3.3问题
   分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
   分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销

最后

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