王道计算机网络--2.1通信基础

1.基本概念

数据：传送信息的实体。    信号：数据的电气或电磁的表现，是数据再传输过程中的存在形式。（都可用“模拟的”或“数字的”来修饰）

        传输方式：①串行传输（一个一个比特按照时间顺序传输（一般远距离））②并行传输（多个比特通过多条通信信道同时传输）

码元：一个固定时长的信号波形（数字脉冲），表示一位k进制数，代表不同离散数值的基本波形，是数字信号的计量单位。一个码元可以携带多个比特的信息量。

数据通信系统由信源（产生和发送数据的源头）、信道、信宿（接受数据的重点）。信源发出的信息需要通过转换器转换成适合在信道是传输的信号，--反转换器--信宿。

信道：信号传输的媒介，一般都是用来表示向某一方向传送信息的媒体。（一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道）

信道分类：①按传输信息形式的不同：模拟信道、数字信道    ②按传输介质的不同：无线信道、有线信道

信道上信号分类：

①基带信号：将1 0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上去传输（基带传输）

②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，然后传送到模拟信道上传输（宽带传输）

通信交互方式：

①单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需一条信道（无线广播、电视广播等）

②半双工通信：双方都可发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送或接受，需要两条信道

③全双工通信：双方可同时发送或接受信息，需要两条信道。

信道的极限容量：信道最高码元传输速率（信道的极限信息传输速率）

速率：数据率，指数据的传输速率，单位时间内传输的数据量。可用码元传输速率和信息传输速率表示（M Baud=M * n bit/s（码元携带n bit信息））

①码元传输速率：码元速率、波形速率，单位时间内通信系统所传的码元个数，单位是波特（Baud），码元可用是多进制的

②信息传输速率：信息速率、比特率，单位时间内通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位是比特/秒（b/s）

带宽：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，表示网络的通信线路所能传输数据的能力

2.奈奎斯特定理与香农定理

1.奈奎斯特定理：奈氏准则，再理想低通（没有噪音、带宽有限）的信道中，极限码元传输速率为2W Baud，W是理想低通信道的带宽。

理想低通的极限数据传输率=2 W log2V（b/s）（V表示每个码元离散电平的数目，离散电平数目指有多少种不同的码元），其得出结论

①在任何信道中，码元传输速率是有上限的 ②信道带宽越大，就可用更高的速率进行码元的有效传输 ③给出了码元传输速率限制，但没有信息传输速率限制

由于码元传输速率受奈氏准则制约，要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，采用多元制的调制方法

2.香农定理：给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，用此速率可不产生误差

信道的极限数据传输率=W log2(1+S/N) （b/s）（S/N信道传输信号的平均功率/信道内部的高斯噪声功率（信噪比））

信噪比（dB）=10 log10(S/N) （dB），比如S/N=1000，信噪比为30dB，得出结论

①S/N越大，信息的极限传输速率越高        ②传输带宽和信噪比一定，信息传输速率的上限就确定了

③只要信息传输速率低于信道极限数据传输率，就一定能找到办法实现无差错传输    ④香农定理得出的是极限传输率，实际信道所能达到的传输率要低不少

奈氏准则值考虑了带宽与极限码元的传输速率的关系，而香农不仅考虑了带宽，也考虑了信噪比，这间接说明了一个码元能对应的二进制位数是有限的。

3.编码与调制

调制：数据变换为模拟信号的过程（数字信号---调制器--->模拟信号）（模拟信号---放大器调制器--->模拟信号）

编码：数据变换为数字信号的过程（数字信号---数字发送器--->数字信号）（模拟信号---PCM编码器--->数字信号）

⑴数字信号---数字发送器--->数字信号的编码方法：

①非归零码（NRZ）用两个电压来代表二进制数字，如用低电平0，高电平1；或者相反（简单，但没有检错功能，不能测到开始结束，收发双方难以保持同步）

②曼彻斯特编码：一个码元分成两个相等间隔，前间隔低电平，后间隔高电平代表1，0则相反；也可采用相反的规定（中间的跳变可用于同步，以太网所使用）

③差分曼彻斯特编码：同样分两个相等间隔，前间隔与上一个码元的后间隔相同代表1，相反代表0（可实现同步，抗干扰性好，局域网传输）

④4B/5B编码：将预发送数据流的每4位为一组，按4B/5B编码规则转换成相应的5位码，只采用其中的16种对应数据流，其余16种作为控制码或保留

⑵数字信号---调制器--->模拟信号，在接收端用调制解调器还原成数字信号，基本调制方法：

①幅移键控（ASK）改变载波信号振幅来表示数字信号1和0，其他不变（容易实现，但抗干扰能力差）

②频移键孔（FSK）改变载波信号频率来表示数字信号1和0，其他不变（容易实现，抗干扰能力也强，目前使用广泛）

③相移键控（PSK）改变载波信号相位来表示数字信号1和0，其他不变（绝对调相:相位的绝对变化    相对调相:和前一码元的相位相对变化）

④正交振幅调制（QAM）在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合，形成叠加信号。波特率为B,m个相位，n种振幅，数据传输率R=B log 2 （m*n）

⑶模拟信号---PCM编码器--->数字信号：例子：用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。主要三个步骤：抽样、量化、编码

采样定理：假设原始信号中最大频率为f，那么采样频率f采样必须大于或等于f的两倍，才能保证采样后的数字信息信息完整（奈奎斯特定理（2W））

  采样频率是指一秒钟内采样的次数。。。抽样是取模拟信号的各个点。

①抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上的连续信号变为时间上的离散信号，抽样频率为带宽的两倍时，可以乌石镇的代表被抽样的模拟数据

②量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字之，并取整数。①②实质是分割、转换

③编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

⑷模拟信号---放大器调制器--->模拟信号：频分复用技术（FDM），充分利用带宽资源。如电话机和本地局交换机所传输的信号

4.电路交换、报文交换、分组交换

⑴电路交换：该路径可能经过许多中间结点，但线路再传输期间一直被独占（连接建立-->数据传输--->连接释放）

优点：通信时延小、有序传输、没有冲突、适应范围广、实用性强、控制简单

缺点：建立连接时间长、线路独占使用率低、灵活性差（通路中任一点出了故障，就须重新拨号建立新连接）、难以规格化（不同类型、规格、速率终端难以通信）

⑵报文交换：数据交换单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换点结点采用存储转发的传输方式

优点：无需建立连接、动态分配线路、提高线路可靠性、提高线路利用率、提供多目标服务（可同时发往多个目的地址）

缺点：存储转发引起的转发时延长、报文交换对报文大小没有限制，这要求网络结点需有较大的缓存空间（通常被较先进的分组交换方式所取代）

⑶分组交换：解决报文交换中大报文传输的问题，其限制每次传送的数据块大小的上限，把大数据块划分为合理的小数据块，再加上控制信息构成分组，存储转发

优点：无建立时延、线路利用率高、简化了存储管理（相对于报文交换）、加速传输、减少了出错几率和重发数据量

缺点：存在传输时延、需要传输额外的信息量、数据包服务时（出现失序、丢失、重复分组，排序工作）虚电路服务时（有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三过程）

5.数据报与虚电路（服务方式网络层提供）

⑴无连接的数据报：高层协议把报文拆成若干个带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息形成数据报分组，尽快转发每个分组，可按不同的顺序到达

特点：

1.发送分组前不需要建立连接，发送发随时发送分组，网络中结点随时接收分组

2.网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失，分组也不一定按序到达目的

3.发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输

4.分组在交换结点存储转发时，需要排队等待处理，这会带来一定的时延

5.网络具有亢余路径，对故障适应性强

6.存储转发时延一般较小，提高网络的吞吐量

7.收发双发不独占某一链路，资源利用率高

⑵面向连接的虚电路：试图把电路交换和数据报方式相结合，充分发挥两种方法的优点。再分组发送前，要去发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路

虚电路连接一旦建立，虚电路所对应的物理路径也就固定了，整个通信过程三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放

建立过程：选没用过的虚电路号分配给该虚电路-->数据分组不仅要有分组号、检验等控制信息还要有虚电路号-->每个结点维持一张虚电路表

特点：

1.虚电路建立和拆除需要时间开销，对于交互式的应用和小量的段分组，显得浪费，但对长时间、频繁的数据交换，效率较高

2.虚电路的路由选择在连接建立阶段就确定了传输路径

3.提供了可靠传输，保证有序，还可对两个数据断电的流量进行控制

4.有一个致命的缺点，当网络中某个几点或链路出现故障、失效，则所有经过此节点或链路的虚电路将遭到破坏

5.分组收不并不包含目的地址，而是含有虚电路标识符，相对数据报方式开销小

习题：

1.测得一个以太网数据的波特率为40M Baud，那么其数据率是（）          20Mb/s

曼切斯特编码，2个电平(码元)代表1个有效值，即数据率=波特率/2=20Mb/s，编码效率是50%。对于4B/5B编码，12.5M Baud的信号率可达10Mb/s，编码效率是80%

2.有一条无噪音的8kHz信道，每个信号包含8级，每秒采样24k次，那么可以活得的最大传输速率是（）        48kb/s

2*W*log 2 V=2*8k*3kb/s=48kb/s

3.二进制信号在信噪比127:1的4kHz信道上传输，最大的数据率可达（）        8000b/s

max（2*4k*log 2 2，4k*log 2 (127+1)）b/s=8000b/s

4.将1路模拟信号分别编码为数字信号后，和另外7路数字信号采用同步TDM的方式复用到一条通信线路上，1路模拟信号频率变化范围为0-1kHz，每个采样点采用PCM方式编码为4位二进制数，另外7路数字信号的数据率均为7.2kb/s，复用线路需要的最小通信能力是（ ）             64kb/s

模拟信号：2*1k*4=8kb/s，由于TDM每支速率要相等，所以是8*8kb/s