網絡基礎之通信基礎

數據通訊基本概念

通信系統模型

三要素：信源、信道、信宿

數據、信息和信號

通信是爲了交換信息(Information)
信息的載體可以是數字、文字、語音、圖形和圖像，常稱它們爲數據(Data)
信號(Signal)是數據的電磁波表示形式。

數據傳輸分類

模擬傳輸
數字傳輸
數據通信

通信方式

單工通信方式：只支持信號在一個方向上傳輸(正/反)，任何時候不能改變信號傳輸方向。
半雙工通信方式：允許信號在兩個方向上傳輸，但某一時刻只允許信號在一個信道上單向傳輸。
全雙工通信方式：允許數據同時在兩個方向上傳輸，即有兩個信道，因此允許同時進行雙向傳輸。

同步

在通信過程中，發送方和接收方必須在時間上保持步調一致，即爲同步，才能準確的傳送信息。

1）異步傳輸

異步傳輸即把各個字符分開傳輸，字符與字符之間插入同步信息。這種方式也叫起止式，即在組成一個字符的所有位前後分別插入起止位。

2）同步傳輸

異步傳輸不適合於傳送大的數據塊，例如磁盤文件。同步傳輸在傳送連續的數據塊時比異步傳輸更有效。

基帶傳輸與頻帶傳輸

1）基帶傳輸

在數字信號頻譜中，把直流（零頻）開始到能量集中的一段頻率範圍稱爲基本頻帶，簡稱爲基帶。因此，數字信號被稱爲數字基帶信號，在信道中直接傳輸這種基帶信號就稱爲基帶傳輸。在基帶傳輸中，整個信道只傳輸一種信號，通信信道利用率低。

2）頻帶傳輸

頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調製）成便於在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率範圍的模擬信號（稱爲頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。
計算機網絡的遠距離通信通常採用的是頻帶傳輸。
基帶信號與頻帶信號的轉換是由調製和解調技術完成的

數據通信的主要技術指標

在數字通信中，我們一般使用數據傳輸速率和誤碼率來分別描述數據信號傳輸速率的大小和傳輸質量的好壞等；在模擬通信中，我們常使用帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數據信號對載波的調製速率。

帶寬
數據傳輸速率
波特率
誤碼率
信道容量

信道容量是指信道所能承受的最大數據傳輸速率，單位爲bps或b/s。信道容量受信道的帶寬限制，信道帶寬越寬，一定時間內信道上傳輸的信息就越多。

信道容量兩種衡量方法

1）奈奎斯特公式

對有限帶寬無噪聲信道，信道容量可用如下公式計算：
C= $2H\log_2 N$

C——最大數據速率(信道容量)
H——信道的帶寬(Hz)
N——一個脈衝所代表的有效狀態數，即調製電平數

例題：若某信道帶寬爲4KHz，任何時刻信號可取0、1、2、3四種電平之一，則信道容量爲多少？

解：
C= $2H\log_2 N$ = $2*4k*\log_2 4=16kbps$

奈奎斯特公式表明，對某一有限帶寬無噪聲信道，帶寬固定，則調製速率也固定。通過提高信號能表示的不同的狀態數，可提高信道容量

2）香農公式

對有限帶寬隨機噪聲(服從高斯分佈)信道，信道容量可用如下公式計算：
$C= 2H\log_2 (1+S/N)$

H——信道的帶寬(Hz)
S——信道內信號的功率
N——信道內服從高斯分佈的噪聲的功率
S/N——信噪比，通常用 $10lg S/N$ 表示，單位dB(分貝)

例題：噪聲比爲30dB，帶寬爲4KHz的信道最大容量。

解：由 $30dB=10\lg S/N$ ,得出S/N=1000，則：
$C=4K*\log_2 (1+1000) ~$ =40kbps。

從上面的分析可以看出，數據傳輸速率用於衡量信道傳輸數據的快慢，是信道的實際數據傳輸速率；信道容量用於衡量信道傳輸數據的能力，是信道的最大數據傳輸速率；而誤碼率用於衡量信道傳輸數據的可靠性。

多路複用技術

多路複用技術是把多個低信道組合成一個高速信道的技術，它可以有效的提高數據鏈路的利用率，從而使得一條高速的主幹鏈路同時爲多條低速的接入鏈路提供服務，也就是使得網絡幹線可以同時運載大量的語音和數據傳輸。常見的有：

頻分多路複用（FDM）
時分多路複用（TDM
波分多路複用（WDM）
碼分多路複用（CDM）

數據編碼

爲了將數據進行傳輸，首先要將數據編碼成適合傳輸的格式。由於計算機只能處理0和1，因此，存儲在計算機內部的數據都是0和1的組合。

1.數字數據的數字信號編碼

數字信號和數字化編碼的數字數據之間存在着自然的聯繫。數字數據表現爲0和1的序列。數字信號表現爲“高電平”和“低電平”的組合。因此，可以將0和1通過某種形式與“高電平”和“低電平”形成一種有效的對應關係。這種對應關係就稱爲數字數據的數字信號編碼。

1）不歸零法編碼（Nonreturn to Zero, NRZ）

不歸零法可能是最簡單的一種編碼方法。它用低電平表示二進制數0，用高電平表示二進制數1。NRZ編碼的缺點是無法判斷每一位的開始與結束，收發雙方不能保持同步，爲保持收發雙方同步，必須在發送NRZ碼的同時通另一個信道同時傳送同步信號。

2）曼切斯特編碼

曼徹斯特編碼不用電平的高低表示二進制，而是用電平的跳變來表示的。在曼徹斯特編碼中，每一個比特的中間均有一個跳變，這個跳變既作爲時鐘信號，又作爲數據信號。電平從高到低的跳變表示二進制數1，從低到高的跳變表示二進制數0，著名的以太網就是採用曼徹斯特編碼的。曼徹斯特編碼的一個缺點是需要雙倍的帶寬。也就是說，信號跳變的頻率是NRZ編碼的兩倍。

3）差分曼切斯特編碼

差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進，每比特中間的跳變僅做同步之用，每比特的值根據其開始邊界是否發生跳變來決定。每比特的開始無跳變表示二進制1，有跳變表示二進制0。

2.數字數據到模擬信號的調製方式

幅移鍵控方式，又稱調幅
頻移鍵控方式，又稱調頻
相移鍵控方式，又稱調相

對數字串11010的調幅、調頻、調相編碼：

3.模擬信號的數字信號編碼

模擬數據的數字信號編碼是將連續的信號波形用有限個離散（不連續）的值近似代替的過程。簡單地說，就是將模擬信號用數字信號近似的代替，其中最常見的方法就是脈衝編碼調製（Pulse Code Modulation，PCM）技術，簡稱脈碼調製PCM。

PCM的基本步驟是：

採樣：即將原波形的時間座標離散化，得到一系列的樣本值。
量化：對採樣得到的樣本值按量級分級並取整。
編碼：將分級並取整的樣本值轉換爲二進制（0，1）碼。

數據交換技術

最初的數據通信是在物理上兩端直接相連的設備間進行的，隨着通信的設備的增多、設備間距離的擴大，這種每個設備都直連的方式是不現實的。兩個設備間的通信需要一些中間結點來過渡，我們稱這些中間結點爲交換設備。這些交換設備並不需要處理經過它的數據的內容，只是簡單地把數據從一個交換設備傳到下一個交換設備，直到數據到達目的地。這些交換設備以某種方式互相連接成一個通信網絡，從某個交換設備進入通信網絡的數據通過從交換設備到交換設備的轉接、交換被送達目的地。
常用技術：

電路交換
報文交換
分組交換

1.電路交換

電路交換(Circuit Switching)是在兩個站點之間通過通信子網的結點建立一條專用的通信線路，這些結點通常是一臺採用機電與電子技術的交換設備(例如程控交換機)。也就是說，在兩個通信站點之間需要建立實際的物理連接，其典型實例是兩臺電話之間通過公共電話網絡的互連實現通話。

2.報文交換

報文交換(Message Switching)是通過通信子網上的結點採用存儲轉發的方式來傳輸數據，它不需要在兩個站點之間建立一條專用的通信線路。報文交換中傳輸數據的邏輯單元稱爲報文，其長度一般不受限制，可隨數據不同而改變。一般它將接收報文站點的地址附加於報文一起發出，每個中間結點接收報文後暫存報文，然後根據其中的地址選擇線路再把它傳到下一個結點，直至到達目的站點。

3.分組交換

分組交換(Packet Switching)的基本思想包括：數據分組、路由選擇與存儲轉發。它類似於報文交換，但它限制每次所傳輸數據單位的長度(典型的最大長度爲數千位)，對於超過規定長度的數據必須分成若干個等長的小單位，稱爲分組(Packets)。從通信站點的角度來看，每次只能發送其中一個分組。
兩種實現方式：數據報、虛電路。