2.1 通信基础

2.2.1 基本概念

1. 数据、信号与码元
   1. 数据是信息的实体
   2. 信号是数据的电气表现（电气即电压，电流等）
   3. 数据传输方式
      1. 并行：多条通信信道同时传输，用于计算机内部通信
      2. 串行：用于远距离通信
   4. 码元
      1. 固定时长的信号波形，表示 K 进制数
      2. 时长称为码元宽度
      3. 1 个码元可以写多个比特信息
2. 信源、信道与信宿
   1. 信道
      1. 信号传输媒介
      2. 通信线路往往包含发送和接收两条通道
      3. 分类
         1. 模拟信道
         2. 数字信道
      4. 信道极限容量：最高码元传输速率
   2. 信号
      1. 基带信号
         1. 0，1 电压表示
         2. 基于数字信道
      2. 宽带信号：将基带信号调制解调成频分复用的模拟信号
   3. 通信双方交互方式
      1. 单工
      2. 半双工
      3. 全双工
3. 波特率，波特与带宽
   1. 速率（传输速率）
      1. 码元传输速率
         1. 码元（脉冲个数，信号变换次数）作为测量的基本单位
         2. 单位：波特（Baud）
      2. 信息传输速率
         1. 以二进制作为码元传输速率
         2. 单位：比特/秒（bit/s）
   2. 带宽
      1. 最高数据率
      2. 单位：Hz

note

1. 如何理解码元
2. 调制解调器：调制解调器又叫“猫”。计算机在物理层接入因特网的方式有两种，一种是接入电话网，也就是通过猫来实现（不过这种方式已经逐渐被淘汰了，90 后应该比较熟悉），另一种是宽带接入，这是现在通用的方式（这里不讲）。那么为什么需要调制解调器呢，因为计算机是数字信号，而电话网是模拟信号，必须通过调制解调器进行信号转换才能传输。
3. 码间串扰

2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理（解决码间串扰）

1.奈奎斯特定理

1. 特点：理想状态（无噪声，带宽有限）
2. 
   1. W 是理想带宽
   2. V 是码元离散电平的数目，离散值个数
3. 结论
   1. 码元传输速率有上限，即 2W。但是数据传输速率没有上限，只要我 V 的编码携带比特数越多，我的速度就越快，所以需要好的编码技术
   2. 频带越宽，速率越快

补充
奈奎斯特采样定理：规定当将模拟信号转为数字信号时需要采样，要求采样的频率为最高速率的 2 倍

2.香农定理

1. 特点：有噪声
2. 
   1. W 实际带宽
   2. S 信号平均功率
   3. N 噪声功率
   4. S/N 信噪比：10log_10(S/N)
   5. 信噪比与分贝：如，，此时s/n=1000，也就是 103
3. 结论
   1. 信噪比越大，速率越高，但是实际环境下，信噪比不能任意大
   2. 比特/秒和码元/秒不是一个意思，唯有在二进制时，二者的数量关系相同
   3. 信息传输速率上限是确定的，因为 W 和 S/N 是确定的
   4. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就有能实现无差错传输的方法
   5. 影响最大传输速率的因素主要是
      1. 信道带宽
      2. 信噪比
   6. 《王道》P44 5 每秒采样与采样频率和周期之间的关系。如。每秒采样 8000 次，采样频率 8000 Hz，采样周期 1/8000s =125 μs
   7. 如果一道题，没有告诉噪声，但告诉了信噪比，那么两个都要计算，然后取最小值

2.1.3 编码与调制

1.数字数据编码为数字信号

2.数字数据调制为模拟信号
**

1. 调制方式
   1. 调幅（ASK）：调整振幅，抗干扰性差
   2. 调频（FSK）：改变频率，抗干扰性强
   3. 调相（PSK）：调整初始相位
   4. 正交振幅调制

3.模拟数据编码为数字信号

1. 步骤
   1. 采样
      1. f（采样）>2*fmax
      2. 奈奎斯特定理
   2. 量化：分级表度进行数字转化
   3. 编码：取对应二进制数
2. 带宽：最高频率和最低频率之差，Hz
3. 方式：脉冲编码调制（PCM）

4.模拟数据调制为模拟信号

note:

1. 8 种相位，8X2=16 种变化， 种比特->信息传输速率=·1200Baud*4
2. 同步
   1. 在通信中，同步是指接收方和发送方交接数据时候的同步。就好比4*100接力赛中，两个人在交接棒时，最好的状态（不会掉棒），就是两个人的速度相同时，即采用同一时钟计时

2.1.4 电路交换，报文交换和分组交换

1. 电路交换
   1. 两个节点之间独占一条通信链路（允许多个中间节点）
   2. 过程
      1. 连接建立
      2. 数据传输
      3. 连接释放
   3. 优势
      1. 时延小
      2. 有序传输
   4. 缺点
      1. 线路独占
      2. 不具备差错检测功能
   5. PS
      1. 直通方式，不存在存储转发
      2. 适用于传送时间远远大于呼叫时间的场景
2. 报文交换
   1. 添加了目的地址，源地址等信息
   2. 优势
      1. 无需建立连接
      2. 动态分配线路
      3. 提高线路可靠性和利用率
   3. 缺点
      1. 存在时延
      2. 不适合实时信息
3. 分组交换
   1. 相比于报文交换添加了控制信息，且分块
   2. 优势
      1. 线路利用率高
   3. 缺点
      1. 存在传输时延
      2. 额外的信息量（多余首部）
      3. 可能出现失序

2.1.5 数据报与虚电路

分组交换

1. 由网络层提供
2. 数据包和虚电路是分组交换的两种具体方式。其中虚电路中，同一报文按照同一路由转发。数据报中，按照自由选择路由，不保证可靠性，不保证按序到达。

面向连接—虚电路
虚电路，顾名思义虚假的电路，只是通过程序模拟出电路交换（物理上是一对一的，类似电视剧民国时期的电话局的接线员操作的那个东东），一旦断开本次会话，那么虚电路就被销毁，而不复存在
**

1. 虚电路结合了数据报和电路交换的优势
2. 关键
   1. 发送分组前，在源目之间建立独占的路径（建立的时候还是要进行路由选择）
   2. 采用虚电路号区分不同分组
3. 通信过程
   1. 虚电路建立
   2. 数据传输
   3. 虚电路释放
4. 特点
   1. 链路建立需要开销
   2. 是可靠的通信
   3. 容易发生单点故障
   4. 分组用虚电路号替换地址
   5. 既有永久性也有非永久性的
   6. 是复用的，也就是像高架桥，可以多条路

无连接—数据报

1. 特点
   1. 无需建立连接
   2. 尽最大努力交付
   3. 分组中包括了发送端和目的端的完整地址
   4. 具备冗余路径
   5. 每一个拆分的小数据报可以走不同的路由路线到达目的地

PS：
1.TCP 和 UDP 是传输层协议
2.10 BaseT：10（10Mbps），Base（基带信号），T（非屏蔽双绞线）
**
note

1. 关于时延的计算 P43~44 37，38

**

2.2 传输介质

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

1.导向型
1）双绞线

1. 特点
   1. 绞合可以减少电磁干扰
   2. 加入屏蔽层可以增强抗干扰性
   3. 带宽的决定因素
      1. 铜线粗细
      2. 传输距离
2. 使用场景
   1. 局域网
   2. 电话网
   3. 模拟，数字传输

2）同轴电缆

1. 50 Ω：传送基带数字信号
2. 75 Ω：传送宽带数字信号
3. 使用场景
   1. 局域网
   2. 有线电视网
4. 特点：屏蔽层具有抗干扰特性；传输距离更远，且速度更快（比双绞线）
5. 10base2：细缆；10base5：粗缆

3）光纤

1. 单模光纤：不会产生反射，适合远距离传输，直径小
2. 多模光纤：只适合近距离传输
3. 特点：带宽范围大，实际受限于光电转换速率，误码率最小
4. 

2.非导向型
1）无线电波

1. 强穿透力
2. 长距离传输
3. 比如我们听的收音机，电台

2）微波、红外线和激光

1. 强方向性，直线传播
2. 微波：频率高，频段范围广，信道容量大
3. 卫星通信
   1. 容量大，距离远，覆盖广
   2. 端到端传播时延长

2.2.2 物理层接口特性

物理层用于屏蔽物理设备的差异性，特别的，物理层不是指具体的光纤，电缆等，而是对物理设备的逻辑封装，实际的物理设备通常被称为第 0 层。

• 机械特性：引脚等
• 电气特性：用二进制定义，电压高低，距离，速率的配置
• 功能特性：不同电压对应的生产意义
• 规程特性：时序关系

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

1. 中继器就是转发器，工作在物理层
2. 作用
   1. 信号整形放大，扩大传输距离
   2. 扩大网络规模
3. 特点
   1. 不能连接异构网络（不同速率的网络）
   2. 5-4-3 规则：5 段通信链路，4 个中继器，3 个可以挂接的计算机
   3. 放大器与中继器的区别
      1. 放大器放大模拟信号，原理是信号放大；
         中继器放大数字信号，原理是信号整形再生
      2. 具有存储转发功能的网络设备，具有连接异构网络的功能
      3. 中继器没有存储转发的功能

2.3.2 集线器

1. 集线器是多端口的中继器，工作在物理层
2. 多个端口输出会发生冲突
3. 只能广播
4. 使用双绞线组网
5. 半双工模式
6. 带宽均摊：10M/b 的集线器，N 台主机连接，每台带宽 10/N

PS：物理层互连，速率相同，协议可以不同；速率一直相同，本层及本层以下协议可以不同，但本层以上协议必须相同。

本章小结

1.奈氏准则和香农定理的主要区别
奈氏准则中，码元传输速率受限

2.信道划分协议
TDM，将信道的时间划为时间帧，每个时间帧由划为时隙，每个时隙的长度可以传送一个分组
传输速率：R/N。R 表示传输速率，N 表示节点个数
缺陷，只能使用平均速率，必须等待轮询


3.三种交换技术**

1. 电路交换不提供差错控制
2. 出错率高的链路选用数据报交换
3. 信元交换

4.基带传输，频带传输和带宽传输

1. 基带传输
   1. 近距离传输，不调制，常用于局域网
   2. 编码方式：不归零，曼切斯特编码
2. 频带传输：数字信号对载波进行调制，适用于远距离和无线传输
3. 宽带传输：链路容量分解成多个信道

5.同步通信和异步通信
同步通信指，双方始终频率调整到相同

6. 同步传输和异步传输

题型归纳

1.互求比特率和波特率

2.奈奎斯特和香农公式的应用

1. 提供 W ，信号包含的级数（V）
2. 使用香农不能超过奈氏的值，一般这种题会出现 N 进制的限制
3. 波特率和数据率（比特率）的关系：
4. 带宽与数据率（比特率）的关系：