通信基础
基本概念
- 数据：信息的实体
- 信号：数据的电气表现、存在形式
- 模拟信号：连续的信号
- 数字信号：离散的信号
- 码元：用固定时长（即码元宽度）的信号波形表示一个k进制数
- 码元宽度：固定时长
- 数字脉冲：信号波形
- 信源：产生和发送数据的源头
- 数据经过变换器变成信号，传给信道（详见编码和调制小节）
- 信道：信号的传输媒介
- 噪声源会对信号产生干扰
- 按信号类型分类：模拟信道、数字信道
- 按传输介质分类：无线信道和有线信道
- 信宿：接收数据的终点
- 信号经过反变换器变为数据，传给信宿
- 基带传输：把数据以原始频带（基本频带）编码为基带信号，在数字信道上传输
- 频带传输：把基带信号调制为模拟信号，在模拟信道上传输
- 宽带传输：在频带传输基础上使用多个信道，每个信道同时频带传输，链路容量大，
- 通信方式
- 单向通信：只有一个方向的通信
- 半双工通信：同一时间只有一个方向的通信，需要两个信道
- 全双工通信：同一时间可以有两个方向的通信，需要两个信道
- 速率：单位时间内传输的数据量
- 码元传输速率（波特率、调制速率）：单位时间传输码元的个数（脉冲数）
- 单位是波特（Baud）
- 与进制有关
- 信息传输速率（比特率）：单位时间传输比特的个数
- 单位是b/s
- 码元传输速率（波特率、调制速率）：单位时间传输码元的个数（脉冲数）
- 带宽
- 在通信领域指频带范围，单位Hz
- 在网络领域指最高数据传输速率，单位b/s
奈奎斯特定理
- 条件：理想低通信道，即无噪声且带宽有限，带宽设为
- 结论：极限波特率为
，单位Baud
香农定理
- 条件：高斯噪声且带宽有限的信道，带宽设为
，信号平均功率为 ,噪声平均功率 - 结论：极限数据传输速率
，单位b/s - 信噪比：
，单位dB
- 信噪比：
编码
即数据转换为数字信号
- 数字数据到数字信号
- 归零编码RZ：高电平为1（或0），低电平为0（或1）
- 时钟周期中间均跳到低电平（即归零）以传送时钟同步信号
- 非归零编码NRZ：高电平为1（或0），低电平为0（或1）
- 时钟周期内电平不变，无法同步
- 反向非归零编码NRZI：信号不变为1，信号翻转为0
- 可传送时钟信号以同步
- 曼彻斯特编码：上半周期高电平下半周期低电平为1（或0），上半周期低电平上半周期低电平为1（或0）
- 跳变作为同步时钟信号
- 频带宽度是原始基带宽度的二倍，数据传输率是调制速率的一半
- 以太网的编码方式
- 差分曼彻斯特编码：本周期上半部分和前一个周期下半部分相同则为1，否则为0
- 周期中间一定跳转，实现同步
- 周期之间的跳转决定编码
- 4B/5B编码
- 用5位编码4位，多出的16种编码作为控制码
- 归零编码RZ：高电平为1（或0），低电平为0（或1）
- 模拟数据到数字信号：一般的方法是脉冲编码调制PCM，采样、量化、编码
- 采样定理（奈奎斯特定理）：采样频率不小于最大频率的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息
- 采样：模拟信号周期性取样，变成离散信号
- 量化：把取样的电平映射到确定的整数
- 编码：把量化的结果转化为二进制编码
调制
即数据转换为模拟信号
- 数字数据到模拟信号：变换器调制，反变换器解调，调制方法如下
- 幅移键控nASK：改变载波的振幅表示0到n
- 容易实现、不抗干扰
- 频移键控nFSK：改变载波的频率表示0到n
- 容易实现、抗干扰
- 相移键控nPSK：改变载波的相位表示0到n
- 绝对调相：不同相位对应不同值
- 相对调相：相邻码元的不同相位变换对应不同值
- 正交振幅调制QAM：改变载波的频率和相位表示数字信号
- 设
个频率， 个相位，则每个波特为 b
- 设
- 幅移键控nASK：改变载波的振幅表示0到n
- 模拟数据到模拟信号
- 提高信号的频率，使用频分复用FDM技术
- 比如声音模拟信号转换为载波模拟信号进行传输
交换技术
电路交换
- 阶段
- 连接建立
- 建立的是专用的物理通信路径
- 数据传输
- 连接释放
- 连接建立
- 优点
- 通信时延小
- 有序传输且没有冲突
- 适用于模拟信号、数字信号
- 控制简单
- 缺点
- 连接建立时间长
- 线路独占，信道利用率低
- 不能差错控制
报文交换
- 报文作为交换单位，包括目的地址、源地址，采用存储转发机制
- 优点
- 不用建立连接
- 动态分配线路，利用率高
- 提供多目标服务
- 缺点
- 有转发时延
- 报文可能很大，故网络结点需要较大缓存
分组交换
网络层的交换技术
- 大的数据划分为等长度分组，加上源地址、目的地址等信息，采用存储转发机制
- 优点
- 不用建立连接
- 线路利用率高
- 简化网络结点的缓冲存储管理
- 流水线方式快速传输
- 出错时重发数据量小
- 缺点
- 有转发时延，不过比报文交换短
- 需要传输额外信息
- 分组可能失序、丢失、重复，需要进行编号管理
数据报和虚电路
分组交换根据提供的服务，进一步分为面向连接的虚电路方式，和无连接的数据报方式
数据报
- 不需要连接
- 分组包含目的地址
- 分组独立选择转发路径
- 数据不一定按序到达
- 网络尽最大努力交付，可靠性由用户保证
- 故障节点导致分组丢失，但可以选择其他路径正常工作
- 无差错控制和流量控制
虚电路
- 需要连接
- 建立阶段需要使用目的地址，此后使用的是长度较短的虚电路号（对应某个链路）
- 同一个虚电路的分组转发的路径相同
- 数据按序到达
- 可靠性由网络保证
- 故障节点导致经过的虚电路不能工作
- 可以有差错控制、流量控制
传输介质
又叫传输媒体，工作于第1层的物理层之下，称为第0层
双绞线
- 结构：两根绝缘铜线绞合
- 屏蔽双绞线STP：双绞线的外面再加一层金属屏蔽层
- 非屏蔽双绞线UTP：无屏蔽层的双绞线
- 特点
- 价格便宜
- 数千米到数十千米范围
- 距离太远时，衰减的模拟信号需要放大器放大，失真的数字信号需要中继器整形
同轴电缆
- 结构：从内到外为内导体、绝缘层、网状屏蔽层、绝缘塑料外套
- 基带同轴电缆：50欧姆，传送基带信号
- 宽带同轴电缆：75欧姆，传送宽带信号
- 特点
- 价格比双绞线贵
- 传输距离远，速率快
- 抗干扰能力强
光纤
- 结构：从内到外为纤芯（高折射率）、包层（低折射率）
- 原理
- 有光脉冲表示1，无光脉冲表示0
- 利用高折射率到低折射率介质的全反射
- 多模光纤：不同角度入射的多个光线在光纤中传输
- 光源为发光二极管，容易失真
- 适合近距离传输
- 单模光纤：光纤直径只有一个光波长时，光线直线传播，不反射
- 光源为半导体激光器，成本高，衰减小
- 适合远距离传输
- 特点
- 传输损耗小、远距离经济
- 抗电磁性好
- 保密性好
- 体积小，质量轻
无线传输介质
无线电波
- 穿透性强，传输距离远
- 应用：手机通信、无线局域网WLAN
视线介质
- 包括微波、红外线、激光，直线传播
- 应用：三个地球同步卫星作为微波信号的中继，覆盖整个地球表面
- 特点：通信容量大、距离远、覆盖广；保密性差，传播时延长
物理层接口的特性
- 机械特性：接口的形状尺寸、引脚数和排列、固定和锁定装置
- 电气特性：接口电缆各线的电压范围
- 功能特性：各线的电压表示的意义
- 过程特性（规程特征）：不同功能的事件出现顺序
- 物理层接口标准举例：EIA RS-232-C、ADSL、SONET/SDH
物理层设备
中继器
- 转发器包括
- 中继器：整形并放大失真的数字信号
- 放大原理：信号再生
- 放大器：放大衰减的模拟信号
- 放大原理：信号放大
- 中继器：整形并放大失真的数字信号
- 没有存储转发功能
- 因此两侧的网段协议相同，数据传输速率相同
- 5-4-3规则：5段通信介质由4个中继器串联，只有3段可以接入计算机
集线器
- 即Hub，本质是多端口中继器
- 原理：从一个端口输入数据，经过整形和放大，从其他所有端口输出
- 显然是半双工工作方式
- 同一时钟周期只能传输一组数据，因此连接的各计算机平分带宽
- 连接的网络一般为星形
- 集线器连接的各工作站集合在一个冲突域和广播域中
- 冲突域：存在冲突问题（由网络第二层解决）的主机范围
- 广播域：存在广播问题（由网络的第三层解决）的主机范围
- 显然是半双工工作方式
