数据通信基础
 
一. 数据通信的基本概念
 
 
消息
 
  
能感知的描述（声音，文字，图片…）
 
 
信息
 
  
消息中包含有意义的内容，消息是信息的载体
 
 
数据
 
  
对客观事物进行记载的物理符号及其组合（数字，文字，图像，抽象的符号）
 
 
信号
 
  
传递信息的载体（光或电磁的形式）
通过电平，电流和频率的变化表示信息
 
 
数据通信
 
  
是通信和计算机相结合产生的通信业务
 
 
通信系统模型
 
  
包括噪声源在内，6部分
 
 
 
 
信源
 
  
将信号转换为电信号的设备（计算机）
 
 
发送设备
 
  
将信源产生的信号通过编码和调制进行变化，便于在信道中传输
 
 
信道
 
  
信号传输媒介，分为 无线 和 有线
 
 
噪声
 
  
对通信信号产生干扰和影响，无法避免
 
 
接收设备
 
  
完成发送设备的反变化（译码和解码），还原原始的发送信号
 
 
信宿
 
  
信号的终点，将信号转换为人们可以识别的消息
 
 
通信系统模型和数据通信模型的区别
 
  
数据通信模型的信源，信宿是二进制设备（计算机，智能终端）
 
 
模拟通信和数字通信
 
  
 
区别
 
    
 
信道中传输的模拟信号还是数字信号
 
 
模拟信号
 
 
 
 
 
数字信号
 
 
 
模拟信号与数字信号之间的转化
 
  
模拟转数字 
    
采样， 量化，编码
解调
 
数字转模拟 
    
解码，平滑
调制
 
 
 
 
数据通信系统和数字通信系统的区别 
  
数字通信系统 
    
信道中传递的是离散的数字信号
 
数据通信系统 
    
信源和信宿端处理的是二进制数据
信道既可以是模拟信号，也可以是数字信号
 
 
 
二. 数据传输方式
 
1. 单向，双向交替，双向同时通信
 
 
单向通信
 
  
 
单工通信
 
 
只能有一个方向的通信（无线电广播，收音机等）
 
 
 
双向交替通信
 
  
半双工通信
双方都可以收发信息，但是不能同时发（无线电对讲机）
 
 
双向同时通信
 
  
全双工通信
发送和接收信息可以同时进行（计算机网络，电话网）
 
 
2. 并行，串行通信
 
 
计算机中处理数据时，以字节（Byte）为单位的，一个字节由8个二进制位（bit）组成
 
 
并行通信
 
  
 
一个bit位占一个传输通道
 
 
所有的bit位同时进行传输
 
 
一般存在于计算机内部总线上
 
 
 
 
串行通信
 
  
信息传输通过一条通道
每个字节中的每一个bit依次在这一条通道进行传输
节省线路设备，速度慢，适合长距离的传输
RS-232和USB接口属于串行通信
 
 
3. 异步 与 同步通信
 
同步技术就是使用一种技术保证收发两端的动作一致，有两种方式 
  
异步式同步
同步式同步
区别在于收发两端的时钟是独立（异步）的还是同步的
 
异步数据传输 
  
以 字符（一般为1个字节） 为单位发送
一次传输一个字符，每个字符 5-8 bit 表示
字符前有一个起始位，后面 1 或 2个停止位
无字符时一直发送停止位
无需收发两端传输时钟信号，传输简单
效率低，速度慢
 
同步数据传输 
  
以 数据块 为单位进行发送
每个数据块前面加上 起始标志，后面加上 结束标志
传输效率高，开销小
需要双方建立同步时钟，实现复杂
适合高速传输
 
 
4. 基带 与 频带 传输
 
 
基带传输
 
  
 
基本频带信号
 
    
计算机作为信源发出的原始数据信号
固定的高低电平表示二进制1/0，简称基带信号
 
 
直接在信道中传输 基本频带信号 称为 基带传输（以太网，令牌环网）
 
    
传递过程中都是高低电平的形式
 
 
 
 
 
频带传输
 
  
一些信道不适合直接传输基带信号，具有带通性 
    
需要利用 基带信号 去调制成 载波信号
 
在信道中把经过调制的载波信号实现将基带信号所携带的信息传输出去的方式为频带传输
例如电话线不适合传输基带信号，计算机（传递的是基带信号）利用电话线上网。得经过一个modem调制成相应的频带信号
 
 
调制方法
 
  
调制解调器（MODEM）
 
 
将调制 和 解调功能 做到一个设备上
 
 
数字调制的三种基本形式
 
  
 
调幅（AM）
 
    
载波的振幅随数字基带信号变化
 
 
调频（FM）
 
    
载波频率随数字基带信号变化
 
 
调相（PM）
 
    
载波初始相位随着数字基带信号变化
 
 
 
 
 
模拟信号传输的基础是 载波
 
 
载波有三大要素
 
  
 
幅度
 
 
频率
 
 
相位
 
 
 
三. 数据通信系统的性能
 
 
数据通信系统的有效性指标
 
  
带宽
码元速率
信息速率
频带利用率
衡量数据通信系统的可靠性指标主要有 
    
信躁比（信噪比越大，系统性能越好）
误码率（越低越好，一般少于 10的-9此法） 
      
也就是说 传输 10 的9次方个比特，最多错一个
 
 
 
 
模拟通信系统的有效指标
 
  
带宽 
    
信道带宽
信号传输带宽
 
衡量可靠性 
    
信噪比
 
 
 
数字通信系统的有效性
 
  
传输速率 
    
码元速率
信息速率
 
 
 
可靠性
 
  
频带利用率
 
 
码元速率 RB，波特率
 
  
数字系统中，用时间间隔相同的符号表示一个离散值，这个间隔称为码元
按照一定的周期产生一个脉冲（码元）
时间间隔为码元长度
波特率 
    
每秒传送的码元数目
T表示码元长度
单位秒
 
 
 
 
 
信息速率，比特率
 
  
每秒传送的二进制比特数，单位为 比特/秒 （bit/s，bps）
 
 
码元和比特的关系
 
  
一个二进制码元含有 1bit 信息量
一个四进制码元（四种形式码元），携带有 2bit 的信息量（00，01，10，11） 
    
每一种码元就可以携带 2bit（分别对应四种码元）的信息量
 
一个M进制码元 可以携带 Log2M比特 的信息量 
    
Rb代表信息速率
RB代表码元速率
 
 
 
 
频带利用率 
  
衡量数字通信系统的通信有效性
为每赫兹所实现的传送速率 
    
B为 带宽
 
 
 
 
 
误码率和误比特率
 
  
 
衡量数字通信系统的可靠性
 
 
一般小于 10的负9次方
 
 
 
 
 
信道极限信息传输速率（香农公式）这是有噪声干扰情况下的信息传输速率
 
  
C：极限信息传输速率
W：信道带宽
S：信号平均功率
N：高斯噪声功率
S/N 就是信躁比
 
 
 
四. 传输信道
 
信道是通信系统中连接发送端和接收端 的通信设备
 
1. 有线信道
 
 
架空明线
 
  
 
优点
 
    
传输损耗低，适合长距离
 
 
缺点
 
    
易受天气和外界干扰，带宽有限
 
 
 
 
 
双绞线
 
  
两根铜线绞合在一起
非屏蔽双绞线（UTP）
屏蔽双绞线（STP）贵一点
主要用于基带传输，以太网
 
 
同轴电缆
 
  
导体和屏蔽层共用同一轴心的电缆
基带同轴电缆 
    
传统总线型以太网
 
宽带同轴电缆 
    
有线电视
 
主要用于频带传输，带宽高达1GHz
早期共享式局域网采用同轴电缆，已经被双绞线代替
 
 
光纤
 
  
损耗低，频带宽，抗腐蚀
进入纤芯的光在两层的边界产生反射
阶跃型光纤：光波只在边界发生折射
梯度型光纤：折射率沿着半径增大的方向逐渐减少
光纤分为 
    
多模光纤：发光二极管
单模光纤：光源采用激光
 
 
 
2. 无线信道
 
利用电磁波在空间的传播来传输信号
为了避免相互干扰，国际电信联盟ITU制定相关协议
 
五. 数据通信中的编码
 
数据编码 
  
二进制数据 转变成 合适的电磁波信号的转变过程
数据编码的方法分为 
    
模拟数据编码
数字数据编码
 
 
 
1. 模拟数据编码
 
 
将计算机的二进制数字信号 转换为 模拟信号
 
 
调制
 
  
在发送端将 数字信号 变为 模拟信号的过程
基本思想 
    
通过载波信号的振幅，频率和初始相位这3个参数来表示0和1两种字符
从而实现将数字信号变换为模拟信号
 
 
 
解调
 
  
在接收端 将模拟信号变为 数字信号的过程
 
 
载波
 
  
能在模拟信道中传输的模拟信号
 
 
 
振幅键控（ASK） 
  
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 0 和 1
例如 振幅 为A 表示数字 1
振幅为0 表示数字 0
 
 
 
 
相移键控（PSK）
 
  
改变 初始相位 来表示数字信号 1 和 0
 
 
频移键控（FSK）
 
  
通过改变 频率 来表示数字信号 1 和 0
 
 
2. 数字数据编码
 
 
将原始的二进制数据（高低电平）变成 数字脉冲序列（离散的高低电平）实现基带传输的方法
 
 
单极不归零码（NRZ）
 
  
 
易于产生，不适合长距离传输
 
 
一般用于计算机内部短距离通信
 
    
使用 0 ：零电平
使用 1 ：正电平
 
 
单极性
 
    
脉冲幅值只有一个级性
 
 
不归零
 
    
脉冲持续期间，电平保持不变，结束时也不必回归 0 电平
 
 
 
 
 
双极性不归零码
 
  
 
0：负电平
 
 
1：正电平
 
 
ITU-T的V.24接口和 EIA的RS-232C接口标准都采用 双极不归零码
 
 
有利于在信道中传输，抗干扰能力强
 
 
 
 
 
单极归零码
 
  
0：零电平
1：正电平
与单极不归零码不同，在每个正脉冲持续期中间时刻，需要从正电平回到零电平
 
 
双极归零码
 
  
0：负电平，且在 中间时刻电平 由 负电平 回到 零电平
1：正电平，且在 中间时刻电平 由 正电平 回到 零电平
 
 
 
 
差分码
 
  
0：相邻电平无跳变
1：相邻电平有跳变
 
 
双相码，曼彻斯特码
 
  
0：中间时刻，由负电平跳到正电平
1：中间时刻，由正电平跳到负电平
 
 
差分曼彻斯特码
 
  
每个比特中间都有跳变，用于同步
0：开始处无跳变
1：开始处有跳变
 
 
 
 
多元码
 
  
将二进制数据映射为多进制信号
实现高速数据传输，提高系统的频带利用率
 
 
 
3. 模拟信号的数字编码
 
 
将模拟信号转换为数字信号，便于在数字通信系统传输
 
 
AD转换要经过三个环节
 
  
采样 
    
按周期采集模拟信号的瞬间值
 
量化 
    
将瞬间值用数值表达出来
 
编码 
    
将数值变为一组二进制码
 
例如将模拟信号 f(t)，在t=1T，2T，3T…时刻采样
得到瞬间值 f(t) = 5.2，将其取整量化 5
最后对 5 进行 3位二进制编码得到 101
 
 
抽样定理
 
  
 
假设模拟信号的频率范围是 fl ~ fh，则信号带宽B = fh - fl
 
    
若B>fl，为低通信号
B<=fl ，为带通信号
 
 
低通抽样定理
 
    
对于一个频带有限模拟信号 f(t)，假设频带为(0,fh)，若以 抽样频率 fs >= 2fh
则信号 f(t) 将被抽样值完全确定。采样的结果可以完全的还原原来的信号
 
 
带通抽样定理
 
    
fs = 2B(1+k/n)
n为 fs/B 整数部分
k为 fh/B 小数部分
 
 
 
脉冲编码调制
 
  
指定有限个 量化电平 ，把抽样值用最接近的电平表示
根据 量化间隔 是否相等，分为 
    
均匀量化 
      
取值域等间隔分割
 
非均匀量化 
      
量化值 随着抽样值的变化而变化
 
 
 
 
编码
 
  
采样信号经过量化得到有限个信号电平，将这些电平用二进制组表示
自然二进制码
折叠二进制码 
    
最高位为0，其他位取反
最高位为1，其他位不变
 
 
 
六. 复用技术
 
1. 多路复用技术
 
目的就是充分利用信道的资源，提高信道利用率，提高通信效率
模型概念如下图
 
 
2. 频分多路复用（FDM）
 
 
频域内将信道带宽划分为多个子信道，利用载波调制技术，将原始信号调制到各个对应的子信道载波信号上
 
 
整个物理信道内频谱不重叠，达到共用一个信道
 
 
 
优点 
  
分路方便，有线和微波通信系统中应用广泛
电话线上网的宽带网络
 
缺点 
  
各路信号互相干扰（串扰）
不提供差错控制技术，不便于性能监测
 
 
3. 时分多路复用（TDM）
 
在时域内划分多个等长的时隙，每个信号占有不同的时隙，在时域上不重叠，共用一个信道
 
 
 
优点
 
  
便于信号的数字化
生产成本低
制造调试容易
 
 
同步时分多路复用（STDM）
 
  
按照固定顺序把时隙分配给各路信号 
    
假设一共有n路时隙，将第一个时隙分配给第一路信号，第二个时隙分配给第二路信号，第n个时隙分配给第n路信号
然后再将第n+1给时隙分配给第一路信号，第n+2时隙分配给第二路信号
如此循环，发送端以n个时隙为一个周期，分别将n路循环的采样构成一共时分复用帧
接收端只需要采用完全相同的接收顺序，即可将多路信号分割，还原
每一个帧的时隙是固定的，各个时隙不可互相转让
会造成时隙的浪费
 
 
 
 
 
异步时分多路复用（ATDM）、
 
  
 
为大量数据发送的用户分配较多的时隙
 
 
少量数据发送的分配相对较少的时隙
 
 
没有数据的用户就不再分配
 
 
时隙与各路信号之间没有固定的关系
 
 
需要携带地址信息
 
 
 
 
 
优点
 
  
提高了设备的利用率
应用于高速远程通信
 
 
缺点
 
  
技术复杂性较高
需要传输用户标识
 
 
典型的TDM
 
  
时分制多路电话通信系统 
    
通过PCM对模拟信号进行数字化编码
将多个话路的PCM话音数据用TDM的方法组装成帧
每个时隙承载一路PCM信号
 
对于时分制多路电话通信系统制定的标准 
    
ITU 针对 同步数字体系PDH，制定了两个建议 
      
我国及欧洲地区采用 E体系
北美，日本等采用 I体系
 
 
E1载波：2.048Mbps
T1载波：1.544Mbps
 
 
4. 波分多路复用（WDM）
 
 
本质也是 频分复用
 
 
一般用于光纤传输中
 
 
只是因为在光纤通信中，光波频率很高，通常用光的波长来讨论
 
 
 
波分复用 
  
在一根光纤中传输多种不同波长的光信号
波长不同，各路信号互不干扰，最后使用 波长解复用器 将各路光载波分解出来
 
 
5. 码分多路复用（CDM）
 
 
在编码域上划分，利用更长的互相正交的码组分别编码各路原始信息的每个码元，使得编码后的信号在同一信道中传输
 
 
码片序列
 
  
在码分系统中，每个通信站点分配唯一一个的N为码组S
 
 
每个站点在发送数据时，利用自己的码片序列对原始码元序列进行编码
 
  
当发送+1时，就发送码片序列
发送-1时，就发送码片序列的反码
 
 
接收处理
 
  
 
接收端需要接收 站点i 的时候
 
 
先获取该站点的码片序列Si
 
 
然后在一个码片周期内
 
 
提取站点i发送的1bit原始信息
 
    
 
运行结果为 1 ，表明站点 i 发送了一位 1
 
 
结果为 -1，表明站点 i 发送了一位 -1
 
 
结果为0，则没有发送数据
 
 
p为原始数据
 
 
 
 
七. 差错控制计算
 
1. 差错控制的基本方式
 
 
典型的差错控制方式有四种
 
  
检错丢弃
检错重发
前向纠错
反馈校验
 
 
检错重发
 
  
 
对于出错的数据，接收端自动请求发送端重发该数据加以纠正，直到正确
 
 
称为自动请求重传方式（ARQ）
 
    
停止-等待ARQ
回退N步ARQ
选择性重传ARQ
 
 
停止-等待ARQ
 
 
    
 
优点
 
      
简单，所需缓存储存空间小
 
 
缺点
 
      
信道效率低
 
 
经过差错编码的数据包发送完之后，发送端等待接收状态反馈确认
 
 
如果接收端正确收到数据包，则向 放送端 发送正确接收确认ACK
 
 
发送端继续发送数据包，如果接收端收到的有错误，则丢弃该数据包，并向发送端 发送 差错反馈 NAK，发送端重新发送数据包
 
 
 
回退N步（GBN）ARQ
 
 
    
 
对发送端的缓存能力要求高，接收端缓存能力较低
 
 
如果误码率低的情况下，信道利用率会大大提高
 
 
误码率高则造成大量信道传输能力的浪费
 
 
发送端 可以 连续发送多个数据包，每个数据包都要有 唯一的编号
 
 
接收端 收到利用 差错编码进行检测，无误的进行 正确接收
 
 
有差错的会被丢弃，并进行差错反馈，发送 NAKn
 
      
其中 n 为数据包编号
 
 
当发送了 NAKn 后，接收端暂停接收，直到收到重新发送并且正确的 NAKn
 
 
发送方收到 NAKn时，要重新发送n号数据包以及后续的数据包
 
 
 
选择性重传ARQ
 
 
    
 
特点
 
      
对于收发两端都需要有较大的缓存能力
与 回退N步ARQ相比，减少了重传开销
 
 
发送端 连续发送多个数据包，每个数据包确保唯一编号
 
 
接收端对于无差错的数据包进行正常接收
 
 
丢弃差错数据包，并 发送 NAKn 进行差错反馈
 
 
对于 n 号数据包之后的到达的数据包 进行缓存
 
 
直到收到重发正确的 n 号数据包，再依次接收
 
 
发送端在收到 NAKn 时，只需要重新发送 n 号数据包即可
 
 
 
 
前后纠错
 
  
接收端进行差错纠正的一种差错控制方法
适用于单工数据通信系统（多媒体实时通信系统）
 
 
反馈校验
 
  
接收端将收到的数据原封不动的发给发送端
原理简单，易于实现
传输效率低，实时性差
 
 
检错丢弃
 
  
不纠正出错的数据，直接丢弃错误数据
适用于可以允许存在一定比例的差错存在，对实时性要求较高的系统
 
 
2. 差错编码
 
 
按照差错编码的纠错/检错能力划分
 
  
检错码
纠错码
 
 
按照差错编码 冗余信息 和 数据信息分组映射关系 划分
 
  
分组码
卷积码
 
 
按照数据信息是否发生变化
 
  
系统码
非系统码
 
 
按照检错/纠错类型划分
 
  
随机错误检错/纠正码
突发错误检错/纠正码
 
 
奇偶校验码
 
  
 
优点
 
    
编码简单
开销小
效率高
 
 
缺点
 
    
无法进行错误校正
检错率不高
 
 
奇校验
 
    
1位冗余比特的取值位 0 或者 1
使得编码后码字中1 的个数为 奇数
 
 
偶校验
 
    
1位冗余比特的取值为 0或者1
使编码后码字中的 1 的个数为 偶数
 
 
 
八. 交换技术
 
 
通过一个由多个节点组成的中间网络来将数据从源点发送到目的点
 
 
从而实现双方的通信，这个中间网络只负责提供交换功能
 
 
这个中间网络称为交换网络，节点称为中间节点
 
 
交换节点和传输介质的集合称为 通信子网
 
 
常见的交换方式
 
  
电路交换
存储-转发 
    
报文交换
分组交换
 
 
 
1. 电路交换
 
通过中间交换节点在两个通信设备之间建立一条专用的通信线路
适用于语音和视频这类实时性强的业务 
  
电话网络就是电路交换网络的典型例子 
    
一个人想给另外一个打电话
在打电话之前要建立一个发送方与接收方之间的连接（拨号过程）
这个连接要求发接双方之间沿途所有的交换机都为该连接维护状态信息
此连接称为电路
 
 
利用电路交换进行通信包括三个阶段 
  
建立电路 
    
传输数据之前，必须建立一条端对端的物理连接
这个连接过程就是一个个节点的接续过程
 
传输数据 
    
电路建立之后即可进行数据传输了
数据既可以是数字数据，也可以模拟数据
传输既可以是全双工也可以是单工的
发送主机与接收主机会存在一条独占的物理线路为本次通信服务
本次通信结束之前，资源不能被其他主机使用
 
拆除电路 
    
数据传输结束之后，要拆除该物理链路
该动作可以由任何一方发起
 
 
 
2. 报文交换
 
 
报文的工作过程
 
  
发送方把要发送的信息附加上，收 发主机的地址及其其他控制信息
构成一个完整的报文
 
 
从源节点到目的节点以报文为单位采用 存储-转发 的方式，转发报文时 占用一段通道
 
 
一个报文在每个节点的延迟时间
 
  
等于接收报文所需的时间加上一个向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和
 
 
典型应用
 
  
谍战时期的电报
 
 
3. 分组交换
 
 
是报文交换的一种改进，每个分组的长度有上限，使每个节点所需的存储能力减低
 
 
分组可以存储到内存中，提高了交换速度
 
 
将报文分成若干分组，每个分组独立的以 存储-转发 方式从源节点传送到目的节点
 
 
在传输的目的点再重新组合成完整的数据
 
 
适用于交互式通信（终端与主机通信）
 
 
虚电路交换技术
 
  
 
与电路交换的区别
 
    
相同点 
      
两者都是面向连接的，数据按照正确的顺序发送
在连接建立阶段都需要额外开销
 
不同点 
      
电路交换提供稳定的传输速率 和 延迟时间
虚电路的传输速率 与 延迟时间取决于以下几个因素 
        
分组队列长度
产生数据的速率
共享同一网的其他用户的负荷
 
 
 
 
先建立一条逻辑通路，每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符
 
 
不再需要路由选择判定
 
 
分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出
 
 
分组走的线路是固定的一条
 
 
 
 
​
 
 
数据报分组交换
 
  
 
属于无连接业务
 
 
每个分组的传送被单独处理，每个数据报自身携带地址信息
 
 
由不同路径通过资源子网
 
 
不能保证各个数据按序到达
 
 
整个过程没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择
 
 

一、什么是数字通信？
 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输
 二、什么是数据通信？
 按照某种协议连接的信息处理装置和数据传输装置,进行数据的传输和处理.计算机与计算机之间或计算机与终端之间的通信称为数据通信,通信中传送的是数据信号,因此,也可以说数据通信是传送数据业务的通信.
 三、数据通信与数字通信的区别：
 数字通信:先将模拟信号转换成数字信号再传输.数字信号在信道上的传输方式有:基带传输–基带数字信号直接在电缆信道上传输.频带传输–将基带数字信号的频带搬移到无线等信道上再传输.数据通信:数据终端产生的是数字形式的信号(即数据信号),信道上可能以:模拟信号的形式传输—频带传输(将基带数据信号的频带搬移到话音频带上再传输)数字信号的形式传输—基带传输–基带数据信号直接在电缆信道上传输.

本章主要内容
2.1 数据通信基础知识
2.2 传输媒体
2.3 编码和复用
2.4 交换技术
2.5 数字传输技术
2.6 接入网
2.7 物理层概述
2.8 小结
2.1 数据通信基础知识
数据(Data):运送(携带)信息的实体
信息(Information):是数据的内容或含义
信号(Signal):数据的电气或者电磁表现(数据以信号的形式传播)
信息通过通信系统传输

    把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地
    注意:信息、数据(如:0,1比特)不能直接在介质上传输。
数据通信系统模型
通信的三个要素:
信源、信宿和信道
任何一个通信系统都可以抽象为以下模型:


信源：将各种信号转化成原始电信号
发送器：生成合适在信道中传输的信号
信道：传送信号的物理传输媒体
接收器：从收到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号
信宿：将电信号还原为相应的信息


数据通信系统的构成：
传输系统(传输线路和传输设备)
源系统(信源+发送器)和目的系统(信宿+接收器)




终端复合了发送方和接收方的功能(如果图中终端是智能的，就可称为"端系统")。大型通信系统中单一信道演变为复杂的交换网络。
数字:泛指一切可数的信息
模拟:只能通过比较技巧进行区分的不可数信息
数字数据：由可数的信息元素所组成。可数的信息有一个最小的分阶单位，元素与元素之间不存在任何分阶状态。
模拟数据：由不可数的信息元素组成。不可数的信息元素不分阶，元素与元素之间可以存在无限多种中间状态。
模拟信号：信号的参量取值连续，包含无穷多个值。信号强度变化是平滑的。
数字信号：信号的参量取值是离散、有限种。一个时间段，信号强度保持某个常量值，下一个时间段有变化到另一个常量值。


模拟传输和数字传输
不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输由4种组合数据：




模拟通信系统
模拟通信系统是传送模拟信号的通信系统。可简化为：


调制：调制为适合信道传输的信号形式。
解调：将调制过的信号还原

数字通信系统
数字通信系统是传送数字信号的通信系统。可简化为：

编码器：模拟信号数字化、数据压缩、加密编码、插空编码
调制：数字基带信号->频带信号
解调：频带信号->数字基带信号
解码：依据发送方的编码顺序，依次进行解码
数字信号的传输方式

按是否调制划分：
数字信号的基带传输 没有调制
数字信号的频带传输 有调制
数字信号的基带传输
信源(编码)所输出的数字基带信号，不经过数字调制(频谱搬移),只经过简单码型变换后进行传输，称为数字信号的基带传输。基带信号->码型变换->(还是)基带信号
数字信号的频带传输
对数字基带信号进行数字调制(就是用调制信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随调制信号变化，经过调制的信号称为已调信号。(数字调制中，调制信号为数字基带信号。))后再传输，称为频带传输。
什么是载波?
是可以用来载送数据的信号；一般采用高频正弦波作为载波。
数字调制


1）幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）

2）频移键控FSK（Frequency Shift keying）
3）相移键控PSK（Phase Shift Keying）
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。
    

调制就是要使载波的这三个参量随数字基带信号的变化而变化






数字数据的传输方式
数字信号的基带传输
信源编码所输出的数字信号，不经过数字调制（频谱搬移），只经过简单码型变换后进行传输，称为数字信号的基带传输。
数字信号的频带传输
对基带信号进行数字调制后再传输，称为频带传输。
什么是码型变换?
通过码型变换电路，将一种码型变换为另一种码型，针对不同的编码方案，表示数字数据的码元的形式不同。例如:不归零(NRZ)编码、不归零反转(NRZI)编码、归零(RZ)编码、曼彻斯特编码(Manchester)和差分曼彻斯特编码等。
码型变换
不归零码(Non-Return to Zero,NRZ)
二进制数字0、1分别用两种电平表示。
缺点：难以分辨一位的结束和另一位的开始；发送方和接收方必须有时钟同步；
问题1---基线漂移：连串的0或1
问题2---时钟恢复：从收到的信号中得到时钟
解决为题1、2---曼彻斯特编码：通过传输NRZ编码数据与时钟的异或合并了时钟和信号。


曼彻斯特编码(Manchester code)
优点：
克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。
因此，曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。
缺点：
观察上图："1"码用"10"两位码表示，"0"码用"01"两位码表示。信号跳变速率加倍，信号速率是数据速率的2倍，效率仅为50%。
数字数据的传输方式
两个结点之间逻辑上交换的是比特流，而实际上是两结点经过传输媒体交换信号流。


信道的极限容量
信道的最高码元传输速率
信道的极限数据传输速率
信道的最高码元传输速率
码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元。如二进制编码，1个码元含一个比特；四进制编码，1个码元含2个比特。
信号传输速率：是指每秒钟传送的信号数量（码元数）。又称码元传输速率，也称调制速率。单位为码元/秒，即波特（Baud）。
数据传输速率：是指每秒钟传输的二进制位数。又称比特率或位率。单位为比特/秒(bit/s=b/s=bps)。


波特(Baud)：码元传输速率的单位。
1波特为每秒传送1个码元。
码元传输速率与数据传输速率的关系


M是为数字传输系统中的码元状态数或离散级数，即M进制数。


即使是理想的无噪声信道，它的传输能力也是有限的。
奈奎斯特(Henry Nyquist),就认识到了这个限制的存在，并推导出公式，用来推算无噪声的有限带宽信道的最大数据率；
香农(Claude Shannon)把奈奎斯特的工作进一步扩展到了信道受随机噪声干扰的情况。


Nyquist公式：（无噪声信道估算的依据）
- 理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud
即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
- 理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud
即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。


可以看出，通过提高编码级数M，一个码元中可以传送更多比特(bit),从而在信道不变的情况下提高数据传输速率。
- 奈式公示指出了：码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元之间的边界（因为有码间串扰）。Nyquist公式为估算已知带宽的信道的最高码元传输速率提供了依据。

- 奈式公式给出的是个理论上限数值，一个实际的信道所能传输的最高码元速率要明显地低于这个值。
- 奈式公式并没有对数据传输速率(b/s)给出限制。要提高数据传输速率，必须设法提高每码元携带的比特信息量，即多元制调制。

请注意：
- 奈式准则考虑了无噪声的理想信道，特定指出：当所有其他条件相同时，信道带宽加倍则数据传输效率也加倍。
- 但是，对于有噪声的信道，情况将会迅速变坏。噪声的存在会破坏数据的一个比特或多个比特。假如数据传输速率增加，则每个比特占用的时间就会变"短",因而噪声会影响到更过比特，则误信率就越大。
- 所以，对于有噪声的信道，我们希望通过增加信号强度来提高接收端正确接收数据的能力。衡量信道质量好坏的参数是信噪比。
信噪比

噪声会使接收端对码元的判断产生错误（1判决为0,0判决为1）。但是噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
信噪比就是信号平均功率与噪声平均功率的之比，常记为S/N;


信道的极限数据传输速率
信道的极限数据传输速率可表示为


其中：W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；
          S/N是信号功率和噪声功率之比。
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限数据传输速率就越高。
1）香农公式告诉我们，若要得到无限大的数据传输速率，只有两个办法：要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比为无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（当然这些也都是不可能的）。

2）香农公式给出了数据传输速率的极限，该极限是不能够突破的。要想提供信息的传输速率，必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。
例子：
    带宽3kHz、信噪比30db（S/N=1000）的电话信道，任何技术都无法突破香农公式理论上传输速率极限值


Nyquist和Shannel公式的比较


    根据此公式我们可以让数据传输速率C随信号编码级数增加而增加


    此公式说明无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最大数据传输速率。
传输模式（通信方式）---数据流动的方向
单工：数据单向传输（无线电广播）
半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）
全双工：数据可同时双向传输（电话）
    两个方向的信号共享链路带宽：
    1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或
    2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输


2.2 传输媒体
传输媒体也称为传输媒介或传输介质，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒介可分为两大类：


有线传输系统：电磁波在介质内部被导向沿着固体媒体传播。例如：电信号在铜、铅等金属导体内传输或光信号在玻璃光纤中传输。
无线传输系统：利用信号发射器发送信号，发出的信号（电磁波）在自由空间中传播。非导向传输媒体就是指自由空间。


双绞线（Twisted Pair，TP）

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法按一定密度绞合(twist)起来构成了双绞线。扭绞可以相互抵消电磁干扰。




双绞线-分类


屏蔽双绞线，在导线与封套之间有一个金属的网状屏蔽层，用来减小辐射，这可以防止外部的电磁干扰，并且避免双绞线内部的电磁辐射传到外部，从而防止通信线路上的窃听，保证了一定的安全性。


安装时必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，并且屏蔽层必须严格接地，才能真正起到抗干扰作用，否则有可能使屏蔽层自身成为一个很大的干扰源。
全屏蔽解决方案主要应用于严重电磁干扰环境，如一些广播站、电台等。另外，应用于那些处于安全目的，要求电磁辐射极低的环境。
非屏蔽双绞线，是由一对分别用绝缘层包封的单股铜线双绞而成，他没有屏蔽层，直径小，重量轻，易弯曲，易安装，具有良好的传导率，适用于结构化综合布线。


双绞线型号
1、第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。
2、第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧令牌网。
3、第三类：该电缆的传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10BASE-T。
4、第四类：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-t。
5、第五类：该类电缆增加了绕绞密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。
6、超五类电缆（Enhanced Cat 5）：与5类双绞线结构基本相同，它是在对现有的UTP五类双绞线的部分性能加以改善后出现的系统，与普通5类UTP相比，其衰减更小，串扰更少，同时具有更高的信噪比、更小的延时误差，性能得到了提高。传输频率可达125MHz和200MHz，用于100BASE-T和1000BASE-T网络。
7、六类电缆（Cat 6）：它比超五类电缆拥有更高的绕绞密度，线对间通常采用十字骨架分隔器，在施工安装方面，比超五类难度更大。其各项参数都有较大提高，其传输频率扩展至250MHz或更高，适用于千兆以太网。


8、七类电缆（Cat 7）：能满足600MHz以上，甚至1.2GHz的传输性能要求，应用于万兆以太网中。六类布线既可以使用UTP，也可以使用STP，而七类布线只基于屏蔽电缆。七类电缆内每个绞对有铝箔屏蔽，外加一个总屏蔽，这使得七类电缆有一个较大的线径。从七类标准开始布线历史上出现和"RJ型"和"非RJ"型接口的划分。


双绞线一般每个两英尺就有一段文字，他解释了有关此线缆的相关信息，以AMP公司的线缆为例，其文字为：
"AMP SYSTEMS CABLEE138034 0100 24 AWG (UL) CMR/MPR ORC (UL) PCC FT4 VERIFIED ETL CAT5 044766 FT 9907",其中的具体含义如下所述:
AMP：代表公司名称。
0100：表示100欧姆。
24：表示线芯是24号的（线芯有22、24、26）。
AWG：表示美国线缆规格标准。
UL：表示通过认证的标准。
FT4：表示4对线。
CAT5：表示5类线。
044766：表示线缆当前处在的英尺数。
9907：表示生产年月。
双绞线制作之RJ-45水晶头


双绞线制作之压线钳



双绞线的两种线序：EIA/TIA568A



双绞线的两种线序：EIA/TIA568B



双绞线的两端的连接：直通线（也称正线）



适用场合：
交换机的UPLINK口----交换机的普通端口
交换机的普通端口----计算机（终端）网卡

双绞线的两端的连接：交叉线（也称反线）



适用场合：
交换机的普通端口----交换机的普通端口
计算机网卡（终端）----计算机网卡（终端）
补充：
MDI和MDI-X是两种端口，原则上：相同端口用交叉线连接，不同端口用直通线连接。
如：MDI和MDI，MDI-X和MDI-X用交叉线连接。MDI和MDI-X用直通线连接。






制作过程

关于6类线的线序






6类线的制作









同轴电缆

基带同轴电缆（50欧）：一条电缆只用于一个信道，用于数字传输。
宽带同轴电缆（75欧）：一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，用于模拟传输。




光纤

依靠广播承载信息
速率高，通信容量大
尺寸更小且重量更轻
传输损耗小，适合长距离传输
抗干扰性能极好，保密性好




光纤传输原理


光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角>=临界值时产生全反射，不会泄漏。





光源






激光产品的级别
Class I：无危险
Class IIa：观看时间小于1000秒则安全
Class II：长期观看有危险
Class IIIa：直接观看有严重危害
Class IIIb：直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害
Class IV：直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重伤害
光纤传输模式


多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。
其光纤芯径在50到100um的范围内，多条入射角度不同的光线可以同时在一根光纤中反射式地传播，传输距离2Km（100M带宽）。
多模光纤根据折射率的分布特性，可分为突变型（step-index）和渐变型（graded-index）两种。
    多模光纤之折射率突变型
同样距离下，入射角较小的光束需要更多的反射，所以经过的路程更长。这种路程差意味着到达时间会有所不同。当这些光束在接收端重新组合时，所生成的信号就会畸变。


任何在到达时间上的差异将造成模式色散。带宽与模式色散成反比关系。
    多模光纤之折射率渐变型
是一种具有变化的密度的光纤。其芯材中心密度最高，向外逐渐变小，在边界处最小。密度的不断变化使得光线逐渐弯曲成一条曲线，这样每隔一定间距不同的光线就会相交。把接收装置精心放置在这些相交处，就可以获得高精度的重组信号。


单模光纤
使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级，这样只有一个角度即"模式"的光线可以通过：轴心光线。于是所有光线都能"同时"到达，并能无失真的重新组合，传输距离大大高于多模光纤，通常用于长距离的传输。但须用昂贵的注入式激光二极管做光源。


光线传输模式--对比






典型的光缆











光线缺点
费用高：由于纤芯材料的任何不纯净或是不完善都可能导致信号丢失，必须万分精确地进行制造。同样，激光光源费用较高。
安装/维护难：布设光缆时，一点点粗糙和断折都将导致光线散射和信号丢失；所有的接头都必须打磨并精确地接合；
脆弱性：比铜导线容易断裂，不适合在移动频繁的环境中使用。
非导引型传输媒体（自由空间）
- 使用电磁波携带信息
- 无需物理连线
- 适用于长距离或不便布线的场合
- 易受干扰


无线电波的三种传播方式
地波传输
天波传输
视距传输






微波通信的两种方式
1.地面微波接力
是一种"视距"通信，即只有在"看得见"的范围内才能通信。


2.地球同步卫星
卫星通信是在地面微波接力和空间技术的基础上发展起来的。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。


最少使用3个卫星就可以覆盖全球
传播时延较大


每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区，但南、北两极地区则为盲区
卫星通信




常用传输媒体的比较


2.4 交换技术

问题：网络核心部分要为边缘部分提供连通性服务，即在主机之间传输网络数据，那么网络核心部分该采用什么交换技术？（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。）

设想：采用传统电信网络的交换技术？即：可以直接将电路交换技术用于计算机之间的通信吗？
电路交换


（1）通话前先拨号建立连接。可能只要经过一个交换机（如A到B）。可能要经过多个交换机（如C到D）
（2）通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。
（3）通话结束后，挂机释放连接。


特点：
（1）在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽；
（2）灵活性和生存性差，线路中任何一点出故障，将导致通信的中断。
早期网络采用电路交换，那时计算机很少，非常昂贵。远地终端（没有处理功能）通过通信线路（可能要经过许多个交换机）使用处于网络中心的计算机的资源。


考虑：
电话网是为电话通信设计的。电路交换的电话网很适合于电话通信。
计算机数据：间歇性、突发性。使用电路交换会导致网络资源严重浪费。
电路交换无法适应不同类型计算机系统之间的差异。
结论：计算机网络需要使用更加有效的数据交换技术。
分组交换
适用于计算机通信的交换技术--分组交换
产生背景：
    60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种生存性很强的新型分布式网络。即使少数结点或链路被摧毁，整个网络仍保持畅通。
    这种新型的计算机网络就是采用分组交换的、基于存储转发的计算机网络。
原理：
    使用分组交换，在数据传送前可以不必先建立连接（这种连网方式成为无连接（connectionless）式），这样随时可发送数据。
    注意：面向连接的不一定就是电路交换，分组交换也可以使用面向连接的方式（如广域网的X.25网络和ATM网络）
怎样实现？依靠存储转发策略

存储转发原理并非完全新的概念--电报通信也采用了基于存储转发原理
在报文交换中心，一份份电报被接收下来，并穿成纸带。操作员以每份报文为单位，撕下纸带，根据报文的目的站地址，拿到相应的发报机转发出去。
    存储转发策略在核心部分的路由器上实现。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
路由器处理分组的过程是：
把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
查找转发表（转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息），找出到某个目的地址应从那个端口转发；
然后由交换机构把分组送到适当的端口转发出去。
在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。












分组交换网络与传统电信网比较
电信网向用户（即电话机）提供的服务质量有保证。
连接在电信网上的电话机几乎没有智能，因此全部的服务质量由电信网完成。


要传送大量的数据，且传送时间远大于连接建立时间时，可保证传输的快速可靠。


适合传送突发的数据，信道利用率高。










2.7 物理层概述
物理层的作用
物理层的功能是为它的服务用户（数据链路层实体）在具体的物理媒体上发送和接收比特流。
传输比特流的过程中所面对的问题：现有计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。
物理层的作用正是要尽可能地屏蔽这些差异，使数据链路层感觉不到这些差异，即透明地传输比特流。
物理层的主要任务
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数据和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性：指明了在接口线路的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数。
功能特性：主要是对接口的各条线的功能分配和确切定义。接口线路分为数据、控制、定时、地线四种。
过程特性：指明接口的各条线的工作规程以及各种可能事件的出现顺序。
DTE
（Data Terminal Equipment）是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。
DCE
DTE虽具有一定的发送接收能力，但它所发出的信号通常不能直接送到传输介质上，而必须在数据处理设备和传输介质之间，加上一个中间设备DCE
（Data Circuit Terminating Equipment）是数据电路端接设备，用于在DTE和传输介质之间提供信号变换和编码的功能，并负责建立，保持和释放数据链路的连接。

一、数据传输速率：
 
定义：又称为比特率，是指在每秒能传输的二进制信息位数。
 
单位：比特/秒，记作bit/s或者bps。
 
计算公式：
 
公式解释：
 
T表示数字脉冲信号的宽度（全宽码情况）或者重复周期（归零码情况），单位为秒。
N为一个码元 所取的有效离散值的个数，又称为调制电平数。（譬如二进制数字信号的调制电平数为2，此时N=2，一个码元携带一位二进制信息）
 
 
那么什么是码元呢？
 
码元是时间轴上的一个信号编码单位。对于数字通信来说，一个数字脉冲就是一个码元；对于模拟通信来说，载波的某个参数或者几个参数的变化就是一个码元。无论在数字通信还是在模拟通信中，一个码元所携带的信息量是由码元所取的有效离散值的个数（状态值）所决定的。
 
 
 
二、信号传输速率：
 
定义：又称为码元速率、调制速率或波特率，它是指每秒信号状态变化的次数或者通过信道传输的码元个数。
 
单位：波特
 
计算公式：若一个码元所取的有效离散值个数为N，则一个码元所携带的二进制位数为。因此数据传输速率S与信号传输速率B具有以下的关系：或者
 
 
 
三、信道容量：
 
定义：信道容量 C 代表着传输数据的能力，即信道的最大数据传输速率。
 
单位：bit/s
 
模拟信道的最大数据传输速率是受模拟信道带宽制约的，对于该问题，奈奎斯特和香农展开研究，提出了奈奎斯特定理和香农定理。
 
 
 
奈奎斯特定理：
 
 在理想的低通道信道中（不考虑噪声干扰），为了避免码间串扰，码元速率的极限值 B 与信道带宽 H 之间的关系为——B=2H。
 
 
由该定理可知，码元的传输速率是受限制的，不可以任意提高，否则在接收端会导致码间串扰而无法判断码元边界。实际信道中，最高码元速率比奈奎斯特定理得出的理想值还要小。
 
 
由此可知，在理想低通信道中，信道容量（即信道的最大数据传输速率）
 
计算举例：使用带宽为3kHz的信道传输二元调制信号，根据奈奎斯特定理，求解信道的最大数据传输速率。
 
根据奈奎斯特定理 H = 3000，因为是二元调制信号，所以 N = 2，故求解可得C = 6000bit/s = 6kbit/s.
 
 
 
香农定理：
 
因为奈奎斯特考虑的是无噪声的理想情况，但是在实际生活中，由于分子热运动，随机热噪声总是存在的，所以不存在无噪声信道。
 
热噪声可以用信号功率与噪声功率的比值进行衡量，即信噪比。
如果将信号功率记作 S ，噪声功率记作 N，则信噪比为 S/N 。
人们通常不使用信噪比本身，而是使用，该值为分贝（dB）
香农在考虑热噪声存在的条件下，给出了信道容量（即信道的最大数据传输速率）C的计算公式：，其中S/N表示信噪比，H为信道宽度。
 
计算举例：求解信噪比为30dB，带宽为3kHz的信道的容量C。
 
根据香农定理，C = 3000 x   = 3000 x  = 3000 x  = 30kbit/s.
 
 
 
四、误码率：
 
误码率是衡量数据通信系统在正常工作时传输可靠性的指标。
 
定义：二进制数据位在传输时出错的概率。
 
公式：误码率 = 出错的位数 ÷ 传输的二进制位
 
在计算机网络中，一般要求 误码率，而且可以通过差错控制机制检错和纠错降低误码率。
 
 
 
Ending... ...