通信基础
基本概念
1、数据、信号与码元
数据是传送信息的实体
信号是数据的电气电磁表现
码元是指用一个固定时长的信号波形,表示一位k进制的数字,是数字信号的计量单位。
2、信源、信道与信宿
信源是产生和发送数据的源头
信宿是接收数据的终点
信道:是信号的传输介质,一个信道可以看成一条逻辑的部件。一般只表示一个方向,所以包含一条发送信道和一条接收信道。噪声源是信道上的噪声。
信道上按传输信号不同分为模拟信道和数字信道。按照传输介质分为有线信道和无线信道。
从通信方式上看,通信双方信息的交互方式上看,可以有三本基本方式:
1)单工通信:只能单向传输信息
2)半双工通信:通信双方可以互相传输信息,但是不能同时。
3)双工通信:通信双方可以同时传输信息。
3、速率、波特、带宽
速率也叫数据率:是指数据的传输速率,表示单位时间内的传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率两种表达方式。
码元传输速率:表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。单位是Baud(波特),1波特表示每秒传输一个码元。码元速率与进制无关,只考虑波形。
信息传输速率:表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数。就是比特数,单位是比特/s
注:所以码元速率和信息速率的转换要考虑进制。一个码元包含n bite信息,那么信息速率就是码元速率✖n
带宽:表示网络的通信线路所能传播数据的能力。 带宽表示最高信息传输速率,所以单位和信息传输速率一样都是bit/s
【总结】
数据是信息实体/信号是电气表现/码元是一个波
信源是信息源头/信宿是信息终点/信道是传输逻辑部件
码元传输速率是波个数除以时间/信息传输速率是bit/s /带宽是最高信息传输速率
奈奎斯特定理
在理想低通(没有噪声、带宽有限)下,W是理想低通信道的带宽,单位是Hz。V表示一共有几种波形。则奈奎斯特定理认为,此种情况下,极限码元速率是2W。极限数据传输速率是2Wlog2V。
奈氏准则带来的启发:
1)码元传输速率是有限的
2)信道频带越宽就可以有更高的码元传输速率
3)信息传输速率在奈奎斯特定理中是没有限制的。因为没有对码元的进制作出限制。
香农定理
香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰下的信道的极限数据传输速率。当符合香农定理的要求下,可以不差错传输。
设W为信道的带宽,S为信道的信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率。
那么信道的极限传输速率为:Wlog2(1+S/N)
香农定理带来的启发:
1)信道带宽或者信噪比越高,极限传输速率越高
2)带宽和信噪比一定时,信息传输速率上限确定了
3)只要速率低于极限传输速率,那么就可以无差别传输
4)香农定理考虑到了信噪比,那么一个码元对应的二进制位数是有限的。
【总结】
任何信道都有码元传输速率上限。
信道频带越宽、带宽越大、信噪比越大,则传输速率。
理想低通下,码元传输速率有限,进制位数不设限。带有白噪声下,进制位数也是有限的。
编码与调制
数据无论是模拟数据还是数字数据,都要转换为信号。把数据变成模拟信号叫做编码,把数据变为数字信号叫做编码。
数字数据编码为数字信号
1)非归零码:用两个电压表示0和1
2)曼彻斯特编码:将一个码元波形分成两个长度相等的波形。这样可以用高低和低高表示0和1 。特点:每一个码元中间都有电平跳变,但是频带宽度是普通的两倍。以太网使用的就是曼彻斯特编码
3)差分曼彻斯特编码:若码元为1,则前半个码元的电平与上个码元的后半部分相同,若码元为0,则相反。常用于局域网传输。
【总结】
非归零码 最普通
曼彻斯特编码 高低 低高 以太网
差分曼彻斯特编码 1不变 0变 局域网
数字数据调制为模拟信号
1)幅移键控(ASK):改变载波的振幅来表示1和0 实现:有无波形来表示1和0
2)频移键控(FSK):改变载波的频率来表示1和0 实现:用频率高和低表示1和0
3)相移键控(PSK):改变载波的相位来表示1和0 实现:用相差pi的两种相位来表示1和0
4)正交振幅调制(QAM):在频率相同的情况相爱,同时改变振幅和相位,两种波形叠加起来。假设有n种相位,m种振幅 波特率为B
数据传输速率R=Blog2(m*n)
模拟数据编码为数字信号
编码方法主要是抽样、量化、编码。
在此要介绍一下采样定理,采样频率大于最大频率的两倍的时候,可以保证采样后的信号完整的保留模拟数据的信息。
1)抽样,把时间上连续的信号变成离散的信号。
2)量化,把抽样得到的信号,通过一定的标准量化成数值。
3)编码,把量化的结果转化成与之对应的二进制码。
模拟数据调制为模拟信号:使用频分复用技术,充分利用带宽资源。
【总结】
数字数据变数字信号:编码,主要通过各种方式区分为两种可以区分的电平来表示0和1
数字数据变模拟数据:调制,主要是把1和0的信号表示成不同的波形,可以是振幅不一样、频率不一样、相位不一样。还可以是组合。
模拟数据变数字信号:采样定理,抽样,量化,编码。
模拟数据变模拟信号:频分复用FDM
传输方式
1)电路交换
传输实现:建立一条专用的物理通信路径,可以是直接连接,也可以是通过结点,但是这条线路在使用时是独占的,通信结束才释放。电路交换的过程是:连接建立、数据传输、连接释放。
特点:时延小,传输有序,没有冲突,适用范围广,控制简单,但是效率低,灵活性差,难以规格化。
2)报文交换
数据交换的单位是报文,报文携带着目的地址,源地址等辅助信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发。通过结点存储全部数据之后,再重新转发出去。
特点:无需建立连接、动态分配线路、线路更加可靠、线路利用率、多目标服务。缺点,经历存储转发从而引起转发时延。报文交换对报文大小没有限制。现在很少使用。
3)分组交换
分组交换也是存储转发的方式。其实就是在报文交换的基础上,把大小不一样的报文分割成大小相同的数据包。构成分组,网络结点根据控制信息把分组送到下一结点。
特点:没有建立时延、线路利用率高、简化了存储管理(因为长度固定)、加速传输、减少出错概率。缺点是存在传输时延、需要更多的控制信息量。可能失序。
数据报与虚电路
分组交换根据其通信子网向端点提供的服务还可以分为面向连接的虚电路和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。
1)数据报
就是最基础的分组交换的方式,发送端无需与接收端创建连接,发送端直接把数据报以分组的形式发给相邻的结点。相邻结点再根据自己的路由表进行转发,由于在发送过程中,网络是会改变的,所以不同的分组可能有不同的路径。
特点:发送分组不需要创建连接;网络尽可能交付,不保证可靠性;分组转发的路径不同,可能会失序;组中要包含完整的地址;交换结点存储转发时可能会有时延,甚至丢包;收发双方不独占某一链路。
2)虚电路
虚电路的方式将数据报方式和电路交换方式结合起来,充分发挥两者的优点。在分组发送之前,要在两者之间建立一条逻辑上相连的虚电路,并且一旦建立,虚电路所对应的物理路径也就确定了。与电路交换是一样的,创建虚电路、传输数据、虚电路释放。
在虚电路工作方式下,每个虚电路会分配一个虚电路号来区别其他虚电路,在虚电路网络中,每个结点上都维持着一张虚电路表,表中记录着虚电路打开的信息。在虚电路中数据的传输是双向的。具体的工作原理如下:
1)主机A与主机B建立一条逻辑通路,主机A发出请求连接的分组,主机B同意连接就发送确认分组。
2)虚电路建立之后,连接的双方可以传输数据。
3)传送结束后,建立方,发送释放请求分组以拆除虚电路。
通过上面的介绍,虚电路相比传统的数据报方式有一些特点:
1)虚电路的建立需要时间,所以更加适用于长时间的频繁的数据交换。
2)虚电路的路由选择体现在建立阶段。后面就是固定的了。
3)虚电路提供可靠的通信功能,保证正确和有序。还可以对数据传送的流量进行监控,方便同步双方。
4)对故障敏感,固定的路径都有这样的缺点
5)分组的首部不包含目的地址,而是虚电路号,这样减少了控制信息的冗余。
【总结】简而言之,数据报就是传统的分组传送方式,一个个固定长度数据包带着完整的地址,以数据包为单位存储转发,而虚电路是通过建立逻辑上的线路,来临时的实现电路交换,它既有电路交换的优点,又具有电路交换没有的灵活性。两者都是不过的传输数据的方式。
传输介质
传输介质也称为传输媒体,被称为计算机网络中的第0层。
1)双绞线
两根相互绝缘的铜线绞合在一起,可以减少相邻导线的电磁干扰。
特点:成本低
实用:是最常用的传输介质之一;局域网和传统电话网中使用;通信距离一般为几公里,太远就需要放大器(模拟信号)和中继器(数字信号)帮忙。
2)同轴电缆
同轴电缆,由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外层构成。一圈包着一圈,同轴嘛。分为两类:50欧姆和75欧姆。
特点:具有良好的抗干扰性、成本比双绞线高
实用:50欧姆用于传送基带数字信号,75欧姆用于传送宽带信号,主要用于有线电视系统。因为良好的抗干扰能力,被广泛用于较高速率的数据。
3)光纤
利用光导纤维,传递光脉冲来通信。有光波就是1,没有光波就是0. 分为多模光纤和单模光纤。多模光纤成本更低,适合近距离传输,单模光纤成本更高,适合长距离传输。
4)无线传输介质
1、无线电波
2、微波、红外线、激光
物理层接口的特性
物理层考虑的是如何在连接各个计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是具体的传输媒体。物理层的作用就是屏蔽物理设备的差异,让上层不再需要考虑具体的物理细节。物理层的主要任务可以描述为:
1)机械特性:对接插装置的规定,定义接口构造。
2)电气特性:规定传输二进制位时,线路上的电压高低、阻抗匹配、传输速率、距离限制
3)功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
4)规程特性:主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
物理层设备
1)中继器(转发器)
主要功能是将衰减的信号,识别并重新再生,以达到放大的效果,可以扩大网络范围。
仅仅作用于信号的电气部分,对电气背后所代表的数据不关心。
作用于局域网下,扩大网络规模的最简单廉价的设备
中继器连接的是两个网段,是局域网范围下的。
中继器的使用数量是有规定的,物理层中的协议规定了具体中继器可以使用的数量。不能无限的使用。
中继器不能链接两个速率不同的网段。不能链接两个协议不同的网段。
【简而言之】信号再生;局域网下;连接速率协议相同网段;简单廉价
2)集线器HUB
集线器是一个多端口的中继器,多个输入端口,多个输出端口
集线器所有端口是一个冲突域,所以连接的计算机多,效率会很差
集线器主要用于使用双绞线组建共享网络,解决从服务器到桌面端的解决方案。
集线器只能工作于半双工
综述:物理层主要是把物理上的电磁特性,通过一些硬件和协议,把这些电磁特性转化为计算机能用的比特流的形式。为高级网络层,消除物理设备的差异,屏蔽物理上实现的细节。