计算机网络（二）数据通信基础_数据通信应解决的主要问题

一、数据通信系统

（一 ） 数据通信系统的组成（5部分）

信源：产生发送数据的设备
发送设备：对数据进行编码，将数据编码成可以在传输系统中传输的信号并发送给传输系统
【信源+发送设备=源系统】
传输系统：传输线路或网络
接收设备：将接收的信号转换成接收器可以处理的数据
信宿：接受数据的设备
【接受设备+信宿=目的系统】

（二）数据通信系统应该解决的主要问题

1. 提高设别利用率（多用户、设备利用率增加，有助于提高系统吞吐量）
   多路复用->利用通信媒体传输能力更充分
   拥塞控制->过多传输要求时系统不会瘫痪
2. 接口、编码和同步
   接口：设备和传输系统相连接
   编码：特定数据信息转换成信号
   同步：信号发送方和接收方同步，接收方必须知道信号的起始和终止以及信号元素的时间宽度
3. 交换管理
   通信双方需交换信息则需双方合作
4. 检错和纠错
5. 流量控制
6. 寻址和路由
   寻址：当一个传输设备连接多个数据设备时，发送方必须以确定的方式来指出哪一个设备接收数据
   路由：当传输系统是一个网络时，从信源到新宿可能存在多个不同的路径，系统应选择一条合适路径
7. 恢复
   用于信息交换中，断点处继续执行。和纠错不同，纠错是数据传过去了，然后对错误部分进行纠正；恢复是可以从当前被中断部分继续执行或恢复之前的运行环境
8. 报文格式
9. 网络管理

（三）数据通信系统的主要技术指标

1. 码元速率/信号速率（B）：每秒传送的码元数，单位baud（波特）【码元就是一个波形】
2. 数据传输速率/信息速率（C）：每秒传送的信息量，单位bit/s
   【二进制信号中每个码元包含一个比特信息】
   在二进制的时候码元速率和数据传输速率在数值上相等。
   但是对于M进制的信号，C>B: 【C=Bxlog₂M】
3. 误码率
4. 误比特率

二、信号和数据编码

（一）模拟与数字信号（非重点）

计网中传送的信息是0、1数字化信息，表示数字信息的信号可以是模拟信号or数字信号

模拟信号：连续变化，分简单信号和复合信号

• 复合信号的频谱：该信号所包含的所有正弦波分量的频率集合
• 符合信号的带宽：频谱的宽度（频谱范围中的最高频率-最低频率）
  

数字信号：离散、非周期性，常用比特间隙和比特率描述

• 比特间隙：发送1bit所需时间
• 比特率：每秒发送的比特数
• 谐波：数字信号可以被分解成无数多个简单正弦波

数字信号在传输的时候不会所有频率的谐波都能传输到接收端，所以一定会存在失真的情况

• 有效频谱：具有重要振幅的分量，依据这些可以高精度恢复出源信号的那些分量
• 有效带宽：有效频谱的带宽
  【比特率和有效带宽的关系：比特率上升时，有效带宽增加】
• 介质带宽：某种传输介质只能传输某些频率范围内的信号该频率范围即带宽
  （所以所传输信号的有效带宽要在介质带宽的范围内才能有效传输，否则就会失真）

传输介质限制了比特率的增加，因为比特率上升，有效带宽上升，但是介质带宽不上升有效带宽上升也没用

• 介质的信道容量：传输介质可以传输的最大比特率（某种介质的信道容量依赖于编码技术的种类和系统的信噪比）

信号有2种：数字、模拟；信息也有两种：数字、模拟。组合共4种，只考虑数字-数字编码和数字-模拟编码。

（二）数字-数字编码（3类）

1. 单极性编码

单极性是电压只有一极，二进制的两个状态只有一个进行了编码。1表示正电压，0表示0⃣️电压或电路空闲
存在问题：

1. 直流分量
   直流分量是指单极性编码的平均振幅不为0，那这部分不变的值是不携带信息的，但是携带能量，一般通信系统都避免这种现象，因为某些传输介质没有处理直流分量的能力。
2. 同步问题
   当接收方接收一连串数据的时候无法确认每个bit什么时候开始什么时候结束。时钟频率有差异的话，接收端会多读或者少读一位。可以通过附加线传递时钟脉冲不过浪费。
   

2. 极化编码（3种）

通过使用正负电压减轻了单极性编码中的直流分量问题

1. 非归零编码（NRZ）【2种】
   线路空闲表示没有传输任何信号，但是在单极性编码中线路空闲表示比特0
   （1）非归零电平编码（NRZ-L）
   直接使用高电平代表1，低电平代表0，线路空闲即没有任何信号
   （2）非归零反相编码（NRZ-I）
   信号电平的一次翻转为1，没有翻转为0【翻转能够提供一种同步机制，但是一连串0也会出现同步问题，但是大多数时候是1多，全1的话每次都翻转自然就会同步，全0的话表示当前电平没有变化，就会出现同步问题】
   
   解决方法：4B/5B编码
   每4个bit先编码为5个bit（每4bit转换为不包含超过连续两个0的5bit单元），然后使用NRZ-I编码【就是先用一种人工的重编码方式，避免出现全0同步问题，该种编码方式不会有连续的大于3个0出现】
2. 归零编码（RZ）
3. 双相位码【2种】
   （1）曼彻斯特编码
   （2）差分曼彻斯特编码
   

3. 双极性编码

正负交替反转代表1

（三）数字-模拟编码

正交调幅（QAM）：在相位上有x种变化，在幅度上有y种变化，共能表示xy种，一般幅度的种类少些，因为容易受到影响。

（四）奈奎斯特准则（无噪声）

• 码元速率/波特率/调制速率/波形速率/符号速率：单位时间内信号波形的变换次数，一个码元就是一个波形，就是通过信道的码元数目

【有限带宽无噪声信道的极限波特率】无噪声情况下，码元速率和信道带宽W的关系

B=2xW(Baud)

【数据速率】N：一个脉冲信号所表示的有效状态

R=Bxlog₂N(bps)

一个baud里面藏着许多bit，如果编码方式不同每个baud中藏着的bit数也不同，这样即使有相同的码元速率，由于编码方式的不同也会有不同的数据速率。（看每个码元能够携带多少bits的信息量）

（五）香农定理（有噪声）

香农定理描述了有限的带宽，有随机热噪声的信道的最大传输速率与信号带宽和信号噪声功率比之间的关系。
给出的是极限，实际只能无限接近这个value

R_max=Wxlog₂(1+S/N)

R_max:信道支持的最大速度（信道容量）
W:信道带宽
S:平均信号功率
N:平均噪声功率
S/N：信噪比，通常用分贝dB表示，分贝数=10xlog₁₀(S/N)【通常计算的时候给的信噪比是dB，需要用这个公式转换一下】

三、线路配置和传输模式

（一）线路配置（只涉及到连接）

• 线路配置：两个或两个以上的设备连接到链路的方式。
• 链路：数据从一个设备传输到另一个设备的物理路径
• 两种方式：点到点连接和多点连接
• 点到点连接：提供了两个设备之间的专用链路，整个信道的容量都被用于这两个设备之间的传输
• 多点连接：两个或两个以上的设备共享一条链路的线路配置方式。信道容量共享——复用技术。
  

（二）传输模式（只涉及如何传递比特流，不考虑连接）

• 传输模式：定义了比特流从一个设备传送到另一个设备的方式

1. 单工、半双工、全双工通信模式
   
   全双工通信模式共享带宽有两种方式：
   （1）链路上有两条物理上独立的传输路径，一条发送，一条接收
   （2）将信道带宽一分为二，同时传输两个方向的信号

2. 串行和并行传输模式
   
   并行传输不适合长距离的原因：
   （1）价格昂贵
   （2）要用较粗的导线降低信号衰减，很多粗导线捆到一起困难
   （3）电阻影响传输速率，到达接收端不同步

四、多路复用技术

多路复用技术是利用一条链路同时传输多路信号的技术。

（一）频分多路复用

（二）时分多路复用

【原理】
在时分多路复用技术中 ，每个发送设备在复用器中有一个缓冲区，发送设备将自己要发送的数据单元存放在复用器中对应的缓冲区中。复用器扫描每个缓冲区提取出一个数据单元放入一个帧中，然后把这个帧发送出去。然后，复用器重新扫描帧缓冲区，开始组建下一个帧。一个帧是由时间片的一个完整循环组成，分配给某一设备的时间片在一帧中的位置是固定的。

异步：如果有N个输入设备，一帧至多有M个时间片，其中M小于N。每个时间片可以被所连接的任何一个有数据发送的输入线路使用。

（三）波分多路复用

（四）码分多路复用（CDM）/码分多址复用（CDMA）

• 用户占用相同的频率和带宽，靠各自不同的地址码序列来区分。
• 码片：每比特时间被分成m个短的时间段（通常情况下，每bit有64个或128个码片）
  每个站点指定一个唯一的m位代码或码片序列。发送信息的时候如果发送的是1则将该码片序列发送过去，如果是0的话发送反码。【只要保证任何两个站点的码片序列不同，则最后结果不同】
• 解决信道分配问题（扩频方式通信）
  
  n代表一个码片中的bit数目，带宽增加m倍的时候实际的数据传输速率是mn bps，码元速率是m Baud
  如果使用FDM（频分）的方式，每个站点要平均分配带宽：

1MHz/100 = 10kbps
CMDA不用分频，只需要将码片和比特进行一下代换即可：
每个站点使用完整的1MHz带宽，码片速率=1M 码片/s（每个小带宽上都可以跑一个码片，平行共1MHz的码片）
如果每bit少于100码片，数据传输速率=码片速率/每比特的码片数>10kbps
有效带宽大于FDM方式
1
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3
4
5

• 双极性方式解释有关码片序列的问题
  双极性是指0使用-1表示，1使用+1表示。每个站点都有自己唯一的码片序列，码片序列的性质：
  （1）所有的码片序列都是两两正交，即任意两个不同的码片序列的内积为0
  （2）任何码片序列与自己的标积均为1（标积=内积/总数n）S·S=1，S·（-S）=-1
• 发送和接收相关问题
  发送：如果两个或两个以上的站点同时开始传输，它们的双极性信号线性增加。（任意序列只占用1bit时间）
  
  接收：还原比特流
  还原出单个站点的比特流，接收方必须事先知道该站点的码片序列，通过计算接收到的码片序列（所有站点发送到线性总和）和欲还原的站点的码片序列的内标积，可以还原比特流。
  S_I·C=xxx/8 根据结果可以算出Si是否有来自C站点的数据发送，如果为1，则证明C正常发送了C的码片，0证明C未发送，-1表示发送的是反码
  依据：根据码片序列的性质———任意两个不同的正交（S·Q=0），自己内标积为+1/-1
• 3个关键技术问题
  （1）地址码产生技术【基础】
  要有足够多的地址码，且地址码之间要有良好的自相关特性
  （2）地址码同步技术【最主要】
  码型一致、相位同步
  （3）扩展频谱技术（扩频）
  降低各用户之间的干扰程度

五、传统数据交换技术

• 当有多个设备存在时，就会有如何连接每一对设备从而使任何一对设备之间能够相互通信的问题。
• 交换是在两个或多个设备之间建立临时连接，将多条物理链路连接在一起，在两个设备之间形成一条临时通信路径，使得没有物理链路直接连接的两个设备或多个设备之间能够相互通信。
• 交换机：具有在连接到其上两个或多个设备之间建立临时连接的能力（一部分和设备相连，一部分和其他交换机相连）
• 三种交换方式：电路交换、报文交换、分组交换

（一）电路交换（面向连接的服务）

电路交换机分为空分交换机和时分交换机
【原理】
电路交换是在两个设备之间建立一条临时的物理连接，两个设备之间的交换机相当于多路开关，当两个设备之间要相互通信时，交换机通过其路由功能，选择沿途可以使用的结点，然后逐次连接，最后建立二者的通信线路（在通信开始之前）。传输完成后任何一方都可以通知电路沿途各结点将电路拆除。
【已淘汰】

（二）报文交换/存储转发/消息交换

【原理】在报文的传输过程中，由中间结点将报文暂时存储起来，检查它的正确性和完整性，然后再发往下一个结点。
【已淘汰】

（三）分组交换/包交换（TCP/IP使用）

【原理】
在分组交换中，较长的报文被分为较短的数据单元，然后每个数据单元被加上一些控制信息等内容，形成一个信息包packet，通信时以包为单位发送、存储和转发。信息包的长度比报文短很多，可以在中间结点的主存中存储不必访问外存（报文大存到外存中还涉及到内外存的转换），而且整个信息包到达即可转发，不必等待全部报文到达，缩短传输过程中的延迟时间。
【分组交换的两种方法】

1. 数据报（IP协议采用数据报形式传递）
   数据传输过程中，每个packet都独立于其他packet进行处理，导致每个packet可能经过不同的线路到达目的地，导致同一组数据包的传输次序颠倒地到达目的地。【不可靠
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