网络基础之通信基础

数据通讯基本概念

通信系统模型

三要素：信源、信道、信宿

数据、信息和信号

通信是为了交换信息(Information)
信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，常称它们为数据(Data)
信号(Signal)是数据的电磁波表示形式。

数据传输分类

• 模拟传输
• 数字传输
• 数据通信

通信方式

• 单工通信方式：只支持信号在一个方向上传输(正/反)，任何时候不能改变信号传输方向。
• 半双工通信方式：允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。
• 全双工通信方式：允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输。

同步

在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持步调一致，即为同步，才能准确的传送信息。

1）异步传输

异步传输即把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息。这种方式也叫起止式，即在组成一个字符的所有位前后分别插入起止位。

2）同步传输

异步传输不适合于传送大的数据块，例如磁盘文件。同步传输在传送连续的数据块时比异步传输更有效。

基带传输与频带传输

1）基带传输

在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。

2）频带传输

频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。
计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。
基带信号与频带信号的转换是由调制和解调技术完成的

数据通信的主要技术指标

在数字通信中，我们一般使用数据传输速率和误码率来分别描述数据信号传输速率的大小和传输质量的好坏等；在模拟通信中，我们常使用带宽和波特率来描述通信信道传输能力和数据信号对载波的调制速率。

1. 带宽
2. 数据传输速率
3. 波特率
4. 误码率
5. 信道容量

信道容量是指信道所能承受的最大数据传输速率，单位为bps或b/s。信道容量受信道的带宽限制，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息就越多。

信道容量两种衡量方法

1）奈奎斯特公式

对有限带宽无噪声信道，信道容量可用如下公式计算：
C=$2H\log_2 N$2Hlog2​N

• C——最大数据速率(信道容量)
• H——信道的带宽(Hz)
• N——一个脉冲所代表的有效状态数，即调制电平数

例题：若某信道带宽为4KHz，任何时刻信号可取0、1、2、3四种电平之一，则信道容量为多少？

解：
C=$2H\log_2 N$2Hlog2​N=$2*4k*\log_2 4=16kbps$2∗4k∗log2​4=16kbps

奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信道，带宽固定，则调制速率也固定。通过提高信号能表示的不同的状态数，可提高信道容量

2）香农公式

对有限带宽随机噪声(服从高斯分布)信道，信道容量可用如下公式计算：
$C= 2H\log_2 (1+S/N)$C=2Hlog2​(1+S/N)

• H——信道的带宽(Hz)
• S——信道内信号的功率
• N——信道内服从高斯分布 的噪声的功率
• S/N——信噪比，通常用 $10lg S/N$10lgS/N表示，单位dB(分贝)

例题：噪声比为30dB，带宽为4KHz的信道最大容量。

解：由$30dB=10\lg S/N$30dB=10lgS/N,得出S/N=1000，则：
$C=4K*\log_2 (1+1000) ~$C=4K∗log2​(1+1000) =40kbps。

从上面的分析可以看出，数据传输速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率；信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率；而误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。

多路复用技术

多路复用技术 是把多个低信道组合成一个高速信道的技术，它可以有效的提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。常见的有：

1. 频分多路复用（FDM）
2. 时分多路复用（TDM
3. 波分多路复用（WDM）
4. 码分多路复用（CDM）

数据编码

为了将数据进行传输，首先要将数据编码成适合传输的格式。由于计算机只能处理0和1，因此，存储在计算机内部的数据都是0和1的组合。

1.数字数据的数字信号编码

数字信号和数字化编码的数字数据之间存在着自然的联系。数字数据表现为0和1的序列。数字信号表现为“高电平”和“低电平”的组合。因此，可以将0和1通过某种形式与“高电平”和“低电平”形成一种有效的对应关系。这种对应关系就称为数字数据的数字信号编码。

1）不归零法编码（Nonreturn to Zero, NRZ）

不归零法可能是最简单的一种编码方法。它用低电平表示二进制数0，用高电平表示二进制数1。NRZ编码的缺点是无法判断每一位的开始与结束，收发双方不能保持同步，为保持收发双方同步，必须在发送NRZ码的同时通另一个信道同时传送同步信号。

2）曼切斯特编码

曼彻斯特编码不用电平的高低表示二进制，而是用电平的跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一个比特的中间均有一个跳变，这个跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。电平从高到低的跳变表示二进制数1，从低到高的跳变表示二进制数0，著名的以太网就是采用曼彻斯特编码的。曼彻斯特编码的一个缺点是需要双倍的带宽。也就是说，信号跳变的频率是NRZ编码的两倍。

3）差分曼切斯特编码

差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每比特中间的跳变仅做同步之用，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0。

2.数字数据到模拟信号的调制方式

1. 幅移键控方式，又称调幅
2. 频移键控方式，又称调频
3. 相移键控方式，又称调相

对数字串11010的调幅、调频、调相编码：

3.模拟信号的数字信号编码

模拟数据的数字信号编码是将连续的信号波形用有限个离散（不连续）的值近似代替的过程。简单地说，就是将模拟信号用数字信号近似的代替，其中最常见的方法就是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）技术，简称脉码调制PCM。

PCM的基本步骤是：

1. 采样：即将原波形的时间坐标离散化，得到一系列的样本值。
2. 量化：对采样得到的样本值按量级分级并取整。
3. 编码：将分级并取整的样本值转换为二进制（0，1）码。

数据交换技术

最初的数据通信是在物理上两端直接相连的设备间进行的，随着通信的设备的增多、设备间距离的扩大，这种每个设备都直连的方式是不现实的。两个设备间的通信需要一些中间结点来过渡，我们称这些中间结点为交换设备。这些交换设备并不需要处理经过它的数据的内容，只是简单地把数据从一个交换设备传到下一个交换设备，直到数据到达目的地。这些交换设备以某种方式互相连接成一个通信网络，从某个交换设备进入通信网络的数据通过从交换设备到交换设备的转接、交换被送达目的地。
常用技术：

1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换

1.电路交换

电路交换(Circuit Switching)是在两个站点之间通过通信子网的结点建立一条专用的通信线路，这些结点通常是一台采用机电与电子技术的交换设备(例如程控交换机)。也就是说，在两个通信站点之间需要建立实际的物理连接，其典型实例是两台电话之间通过公共电话网络的互连实现通话。

2.报文交换

报文交换(Message Switching)是通过通信子网上的结点采用存储转发的方式来传输数据，它不需要在两个站点之间建立一条专用的通信线路。报文交换中传输数据的逻辑单元称为报文，其长度一般不受限制，可随数据不同而改变。一般它将接收报文站点的地址附加于报文一起发出，每个中间结点接收报文后暂存报文，然后根据其中的地址选择线路再把它传到下一个结点，直至到达目的站点。

3.分组交换

分组交换(Packet Switching)的基本思想包括：数据分组、路由选择与存储转发。它类似于报文交换，但它限制每次所传输数据单位的长度(典型的最大长度为数千位)，对于超过规定长度的数据必须分成若干个等长的小单位，称为分组(Packets)。从通信站点的角度来看，每次只能发送其中一个分组。
两种实现方式：数据报、虚电路。