计算机网络基础——通信基础

通信基础

基本概念

1. 数据、信号与码元

   • 数据是指传送信息的实体

   • 信号是指数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式

   • 数据与信号都可以用模拟的和数字的来修饰

     • 模拟数据（信号）指的是连续变化的数据（信号）

     • 数字数据（信号）指的是取值仅为有限的几个离散数值的数据（信号）

   • 数据传输方式分为并行传输和串行传输

     • 串行传输是指一个一个比特按照时间顺序传输

     • 并行传输是指多个比特通过多条通信信道同时传输

   • 码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制的数字，代表不同的离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的基本单位，这个时长内的信号称为k进制码元，该时长则称为码元宽度，1码元可以携带多个比特的信息量。

2. 信源、信道与信宿

数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信，一个数据通信系统分为信源、信道和信宿三部分

 * 信源

  信源是```产生和发送数据的源头```

 * 信宿

  信宿是```接收数据的终点```，通常为计算机或其他数字终端装置

 * 信道

  信宿是```信号的传输媒介```，传输从信源发送到信宿的数据，发送端信源发出信息通过变换器转换为适合在信道上传输的信号，经过信道传输到接收端的信号会先通过反转换器转换成原始信息，再发送给信源，信道一般包含一条发送信道和一条接收信道按照

    * 按传输信号形式分类

      * 传送模拟信号的模拟信道

      * 传送数字信号的数字信道

    * 按传输介质分类

      * 无线信道

      * 有限信道

    * 基带信号

      基带信号将数字信号```1```和```0```直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输，称为基带传输

    * 宽带信号

      宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上去传输，称为宽带传输

 * 噪声源：是```信道上的噪声（即对信号的干扰）及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示```

 * 交互方式：

  * 单工通信
    只有一个方向的通信而没有反方向的通信，仅需一条信道，如无线广播、广播电视等

  * 半双工通信
    通信的双方都可以发送和接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道

  * 全双工通信
    通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

 * 极限容量
  信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

3. 速率、波特与带宽

• 速率

  速率也称为数据率，指的是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量

  • 码元传输速率

    又称码元速率、波形速率等，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud），1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关

  • 信息传输速率

    又称信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）

• 波特

  波特表示数字系统传输码元的速率，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，与比特不同，但若一个码元携带n个比特的信息，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒

• 带宽

  带宽原来指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz），在网络中，带宽常用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位为b/s

奈奎斯特定理与香农定理

1. 奈奎斯特定理

奈奎斯特（Nyquite）定理又称奈氏准则，它指出理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位是Hz，若用V表示每个码元离散电平的数目（有多少种不同的码元，如若有16中不同的码元，则需要4位二进制，因此数据传输率是码元传输率的4被），则极限传输率为理想低通信道下的极限数据传输率 = 2Wlog2V，单位为b/s，码元的传输速率受奈氏准则的制约，若需要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，就需要采用多元制的调试方法。

• 结论

  • 在任何信道中，码元传输的速率有上限，若超过上限，就出现严重的码间串扰问题（接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限），使得接收端不可能完全正确识别码元

  • 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。

  • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制给出限制

2. 香农定义

香农（Shannon）定理给出了带宽受限且由高斯白噪音干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差，香农定理定义为信道的极限数据传输率 = Wlog2(1 + S / N)，单位为b/s，其中W为信道带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪音功率，S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪音的平均功率之比，信噪比 = 10log10(S/N)，单位为dB，奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理还考虑了信噪比，侧面反映了一个码元对应的二进制位数是有限的

• 结论

  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高

  • 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的

  • 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能够找到某种方法实现无差错的传输

  • 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

编码与调制

无论是数字数据还是模拟数据，要进行传输必然要转变成信号，把数据变为模拟信号的过程称为调制，把数据变为数字信号的过程称为编码，信号是数据的具体表示形式，它和数据有关但又不同，数字信号可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号输出，模拟信号可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。

1. 数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号，具有多种编码规则如下

• 非归零编码
  非归零编码（NRZ）用两个电压来表示二进制数字，低电平表示0，高电平表示1，或者相反。这种方式易于实现，但没有检错功能，也无法判断一个一个码元的开始和结束，以至于手法双方难以保持同步。

• 曼彻斯特编码
  曼彻斯特编码（Manchester Encoding）将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，0则反之，与之相反的规则也可以。该编码的特点是每个码元中间会出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数字信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍，以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

• 差分曼彻斯特编码
  查分曼彻斯特编码常用于局域网传输，规则是若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元电平相同，若码元为0，则情形相反。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平跳转，可以实现自同步，抗扰性好。

• 4B/5B编码
  4B/5B编码将欲发送数据流的每4位为一组，然后按照4B/5B的编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16位对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码或保留码，保存帧的开始和结束、线路状态等信息。

2. 数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应与调制解调器的调制和解调过程，方法如下

• 幅移键控
  幅移键控（ASK），通过改变载波信号的振幅来表示数字信号0和1，而载波的频率和相位都不改变，较容易实现，但抗干扰能力差

• 频移键控
  频移键控（FSK），通过改变载波信号的频率来表示数字信号0和1，而载波的振幅和相位都不改变，易于实现，抗干扰能力强，应用较为广泛

• 相移键控
  相位键控（PSK）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号0和1，而载波的振幅和频率都不改变，分为绝对调相和相对调相

• 正交振幅调制
  正交振幅调制（QAM），频率相同的前提下，结合ASK与PSK结合，形成叠加信号，设置波特率为B，采用m个相位，每个相位有n中振幅，则QAM技术传输率R = Blog2(mn) (b/s)

3. 模拟数据编码为数字信号

这种编码方式常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），它主要有三个步骤，采样、量化和编码

• 采样
  采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上的连续信号变成时间上的离散信号，根据采样定理（奈奎斯特定理），采样的频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据

• 量化
  量化是把采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值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换成了离散的数字量，采样和量化的实质就是分隔和转换

• 编码
  编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

4. 模拟数据调制为模拟信号
   为实现传输的有效性，可能需要较高的频率，这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源，电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

电路交换、报文交换与分组交换

1. 电路交换

• 在进行数据传输前，两个结点之间必须建立一条专用的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段链接而成），该路径可能经过许多中间结点，整个路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放，因此电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放

• 从通信资源的分配角度来看，交换是按照某种方式动态地分配传输线路的资源，电路交换的关键点是在数据传输的过程中，用户始终占有端到端的固定传输带宽。

• 电路上的任何结点采用直通方式接收数据和发送数据，不存在存储转发所耗费的时间。

• 优点

  1. 通信时延小

  2. 有序传输

  3. 没有冲突

  4. 适用范围广

  5. 实时性强

  6. 控制简单

• 缺点

  1. 建立连接时间长

  2. 线路独占

  3. 灵活性差

  4. 难以规格化

2. 报文交换

• 数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息，报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式

• 优点

  1. 无须建立连接

  2. 动态分配线路

  3. 提高线路可靠性

  4. 提高线路利用率

  5. 提供多目标服务

• 缺点

  1. 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发延时（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）

  2. 报文交换对报文的大小没有限制，要求网络结点需要有较大的缓存空间

3. 分组交换

• 分组交换采用存储转发的方式，解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送数据块的大小，将大的数据块划分成合理的小数据块，并添加必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。

• 网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。

• 优点

  1. 无建立时延

  2. 线路利用率

  3. 简化了存储管理

  4. 加速传输

  5. 减少了出错概率和重发数据量

• 缺点

  1. 存在传输时延，比报文交换短，但相对电路交换仍存在转发时延，而且其结点交换机必须有更强的处理能力

  2. 需要传输额外的信息量，每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编码等信息，从而构成分组，因此使得传送的信息量增大了5%~10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理时间，使控制复杂，时延增加

  3. 当分组采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作；而若采用虚电路服务，虽然没有失序的问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

4. 比较

若要传送的数据量很大且其传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适，若端到端的通路由多段链组成时，采用分组交换数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换由于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合计算机之间的突发式数据通信。

数据报与虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式，两种方式都由网络层提供。

1. 数据报

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层PDU），中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳路由后，尽快转发每个分组，不同的分组可以走不同的路径、按不同的顺序到达目的结点

• 数据报服务原理

  • 主机先将分组逐个发往与它直接连接的交换结点，该结点缓存收到的分组

  • 该结点找到自己的转发表，由于不同时刻网络状态的不同，转发表内容可能不完全相同，故可能转发给不同结点的不同的分组

  • 网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达目标主机

• 特点

  • 发送分组前不需要建立连接

  • 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失，为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的结点

  • 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

  • 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延，通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点可能根据情况丢弃部分分组

  • 网络具有冗余路径，当某一交换结点或链路故障时，相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强

  • 存储转发的延时一般较小，提高网络的吞吐量

  • 收发双方一般不独占某一链路，资源利用率较高

2. 虚电路
   虚电路方式试图将数据报方式和电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，已达到最佳的数据交换效果，分组发送前收发双方建立一条逻辑上相连的虚电路，且一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径，分为三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放。
   虚电路方式，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路。传输数据时，每个数据分组要有分组号、交换等控制信息和虚电路号。虚电路网络的每个结点维护一张虚电路表，表中记录每一个打开的虚电路信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识，数据传输是双向进行的，上述信息在虚电路建立过程中确定。
   虚电路之所以虚，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干条虚电路铜鼓，也可能同时与多个结点之间建立虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路实际路由可能相同也可能不同。

• 工作原理
  • 进行数据传输，在发送主机和接收主机间建立一条逻辑通路，发送主机发出一个特殊的呼叫请求分组，该分组通过中间结点发往接收主机，若接收主机同意连接，则发送呼叫应答分组予以确认
  • 虚电路建立后，发送主机就向接收主机发送数据分组，接收主机也可以向发送主机发送数据
  • 发送结束后，发送主机发送释放请求分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接
• 特点
  • 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对于长时间、频繁的数据交换效率较高
  • 虚电路的路由选择体现在建立阶段，连接建立后就确定了传输路径
  • 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达，还可以对数据断点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发哦是哪个
  • 虚电路有一个致命的弱点，即当网络中某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或链路的虚电路将遭到破坏
  • 分组首部不包含目的地址，而包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小

3. 比较

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不需要	必须有
目的地址	每个分组都有完整目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证有序到达	保证有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机保证	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

鸣谢

王道考研计算机网络

最后

• 由于博主水平有限，不免有疏漏之处，欢迎读者随时批评指正，以免造成不必要的误解！

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