计算机网络学习笔记——物理层之通信基础

一、基础概念

• 理解数据、信号、码元、信源、信道、信宿、速率、波特、带宽等基础概念。其中数据与信号互相关联，而信号与码元相关；速率、波特和带宽三者相关。

1、数据、信号和码元

• 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。
  数据和信号都可以用“模拟的”或“数字的”来修饰：
  ①连续变化的数据或信号，称为模拟数据或模拟信号；（连续）
  ② 取值仅为允许的有限个离散数值的数据或信号，称为数字数据或数字信号。

• 数据传输方式可分为并行传输和串行传输。并行传输指的是多个比特通过多条信道同时传输；串行传输指的是一个一个的比特按时间顺序传输，常用于远距离通信，因为这样可以较经济。

• 码元是指用一个固定时常的波形信号——数字脉冲——表示一位 K 进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，该时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。

• 1 码元可携带多个比特的信息量。

2、信源、信道和信宿

• 数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。
• 信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，两者通常都是计算机或其他数字终端装置。发送端信源发出的信息需经过变换器转换成适合在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。
• 信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介，一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示某个方向传送信息的介质，因此一条通信信道往往包含一条发送信道和一条接受信道。
• 信道按传输信号的不同划分为模拟信道和数字信道；按传输介质的不同划分为无线信道和有线信道。
• 信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，然后发送到数字信道上传输，称为基带传输；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传输，称为宽带传输（频带传输）。
• 按通信双方信息的交互方式，通信分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种方式。
  1）单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道；例如无线电广播、电视广播。
  2）半双工通信：通信的双方都可以接收或发送信息，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。
  3）全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。
• 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

• 速率也称数据率，指的是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元速率和信息传输率表示。

1）码元传输速率：

• 又称为码元速率、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，也称为脉冲个数或信号变化的次数，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，也可是二进制，但码元速率与进制数无关）。

2）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。

• 波特与比特的区别：

这两个是不同的概念，
码元传输速率也成为调制速率、波形速率或符号速率，
但码元传输速率与信息传输速率在数量上却有一定的关系。
若一个码元携带 n 比特的信息量，
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。

• 带宽原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz）。在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率也存在数值上的互换关系，因此通常用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。因此，带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，此时带宽单位是 b/s。

二、奈奎斯特定理与香农定理

1、奈奎斯特定理

• 奈奎斯特（Nyquist）定理，即奈氏准则。该定理指出在理想低通（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 是理想低通信信道的带宽，单位为 Hz。若用 V 表示每个码元的离散电平数目——指有多少种不同的码元，如有14种不同的码元，则需要 4 位二进制位，因此数据传输率是码元传输的 4 倍——则极限数据率位：
  
• 从奈氏准则可以得出如下结论：
  1）任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题——在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清洗界限，使得接收端不可能完全正确识别码元。
  2）信道的频带越宽——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。
  3）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位给出限制。
• 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息，此时需要采用多元制的调制方法。

2、香农定理

• 香农（Shannon）定理给出了带宽受限且有高斯白噪声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：
  

• 其中 V 就是信道的极限数据传输率，对数是以 2 为底的对数，W 为信道宽度，S 为信道所传输信号的平均功率，N 为信道内部的高斯噪声功率。S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比
  

• 如，当 S/N=10 时，信噪比为 1dB，当 S/N=1000 时，信噪比为 30 dB。

• 对于香农定理，可以得出结论：
  1）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。
  2）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。
  3）只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错的传输。
  4）香农定理得出的极限传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

• 依据香农定理，理想情况下，当信道宽度或信噪比没有上限，则信道的极限信息传输速率也没有上限。

• 奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理考虑了带宽、信噪比（一个码元对应的二进制位数是有限的）。

三、编码与调制

• 数据无论是数字的还是模拟的，多需要转变称信号才能通过网络发送出去。将数据转变成模拟信号的过程称为调制，把数据转换为数字信号的过程称为编码。
• 信号是数据的具体表示形式，与数据有一定关系但不同于数据；数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制解调器转换称模拟信号传输；模拟数据也可通过 PCM 编码器转换成数字信号传输，也可通过放大器调制解调器转换成模拟信号传输。具体有数字数据编码为数字信号、数字数据调制成模拟信号、模拟数据编码为数字信号和模拟数据调制为模拟信号四种编码形式。

1、数字数据编码为数字信号

• 数字数据编码用于基带传输，编码的规则有多种，只要能有效地把 1 和 0 区别开来即可，常用的编码方式如下：
  

1）归零编码

• 归零编码（RZ）中用高电平代表1、低电平代表 0，或者相反；每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这便是传输双方的同步机制。缺点是归零占据了一部分带宽，传输效率受到一定的影响。

2）非归零编码

• 非归零编码（NRZ），正如其名，是不用归零的，整个传输周期可以全部用来传输数据。但是，NRZ 编码无法传递时钟信号，使得双方难以同步。如想传输高速同步数据，需要都带有时钟线。

3）反向非归零编码

• 反向非归零编码（NRZI）与NRZ的区别是用信号翻转代表 0、信号保持不变代表 1.翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集中了前两种的优点，传输时钟信号的同时不损失带宽，USB2.0 通信的编码方式就是 NRZI 编码。

4）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；码元 0 的表示方式正好相反。与此相反的规定也可以。该编码的特点是，每个码元中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是基带宽度的两倍。以太网使用的编码就是曼彻斯特编码。

5）差分曼彻斯特编码

• 差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电平相同；若码元为 0，则情形相反。该编码的特点是，每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，抗干扰性较好。

6）4B/5B编码

• 将欲发送的数据流的每 4 位做一组，然后按照 4B/5B 编码规则将其转换成相应的 5 位码。5 位码共有 32 种组合，但只采用其中的 16 种对应 4 位编码，其他 16 种作为控制码（帧的开始、结束，线路的状态信息等。）或保留。

2、数字数据调制为模拟信号

• 指在发送端用数字数据调制技术将数字信号转换为模拟信号，即为调制过程；接收端使用相应的技术将收到的模拟信号转换为数字信号，即为解调过程。常用的调制方法有幅位键控、频移键控、相移键控和正交振幅调制。

1）幅位键控

• 也叫移幅键控或振幅键控，Amplitude Shift Keying，记为 ASK。
• 该方法是通过改变载波信号的振幅来表示 1 和 0，载波的频率和相位都不改变。优点是易于实现，缺点是抗干扰差。

2）频移键控

-英文名 Frequency-shift keying，记为 FSK。

• 该方法不改变载波的振幅和相位，而是改变载波的频率来表示 1 和 0.优点是易于实现和抗干扰强，目前应用广泛。

3）相移键控

• phase shift keying，记为 PSK。
• 该方法通过对载波的相位进行控制使其表示 1 或 0.细分为绝对调相和相对调相。

4）正交振幅调制

• Quadrature Amplitude Modulation，记为 QAM。
• 该方法在频率相同的前提下，将 ASK 和 PSK 结合起来，形成叠加信号。若波特率为 B，采用 m 相位，每相位 n 种振幅，则 QAM 技术的数据传输速率 R 为：
  

3、模拟数据编码为数字信号

• 典型例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（Pluse Code Modulation，PCM），主要有采样、量化和编码三个步骤。

1）采样定理

• 又称作奈奎斯特定理。
• 模拟信号转为数字信号时，若原始信号最大频率为 f，采样频率 F，则当 F>= 2f 时，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。

2）采样

• 对模拟信号进行周期扫描，将时间上连续的信号转换为时间上离散的信号。
• 采样频率需大于等于模拟数据的频带带宽（信号的最高频率与最低频率之差）的两倍。

3）量化

• 将采样取得的电平幅值按一定分级标度转为对应数字值并取整。

4）编码

• 将量化后的结果转为对应的二进制编码。
• 采样和量化的实质就是分割和转换。

4、模拟数据调制为模拟信号

• 此方式需要较高的频率，或者使用频分复用（(frequency division multiplex-ing technique，FDM）技术。

四、数据传输交换方式

• 主要有电路交换、报文交换和分组交换。

1、电路交换

• 在数据传输前，结点间建立一条专用物理通信路径；由于是专用此路径将在整个传输过程中一直被独占直到传输结束才释放；因此，该方法的关键点就是实现数据传输过程中用户能够占用端到端的固定传输带宽。线路一旦建立，除源结点和目的结点外，线路上任何结点都采用“直通方式”接收数据和发送数据，因此，不会存在存储转发所耗费的时间。电路交换分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。
• 该方式的优点有：通信时延小、有序传输、没有冲突、适用范围广、实时性强和控制简单；适用范围广，体现在电路交换既可以用于传输模拟信号也可用于传输数字信号；实时性则体现在双方线路一旦成功建立，那么双方随时可以通信；控制简单则是指电路交换的交换设备及控制都较简单。
• 电路交换的缺点：建立连接时间长、线路独占导致线路利用率极低、灵活性差和难以规格化；灵活性差表现在通信双方的线路中某个节点一旦出现故障无法修复，则只能重新建立另外一条连接，不利于紧急通信或重要通信；难以规格化主要表现在两个方面：一是两台类型、规格和速率不同的终端很难进行通信，二是通信过程中无法进场差错控制。

2、报文交换

• 数据交换单位为报文，报文携有目标地址、源地址等必要信息；在交换结点采用存储转发的方式。
• 该方式的优点有无需建立连接、动态分配线路、提高线路可靠性和利用率、提供多目标服务；无需建立连接指的是不用为通信双方建立专用线路，用户随时可发送报文，报文交给交换设备后，交换设备先存储整个报文然后选择合适空闲线路发送报文，这便是动态分配线路；由于是动态分配线路，因此可以在报文传输时避开故障线路提高传输可靠性，同时也提高了线路利用率；多目标服务指的是一个报文可以发送给多个目标地址。
• 其缺点是存在转发时延和要求交换设备有较大缓存空间，这都是由于报文交换结点都是存储转发方式，因此在结点报文都要经历接收、检验正确性、排队、发送，而报文交换没有规定报文的大小，故而交换设备需要有较大的缓存空间。
• 该方式主要用在早期的电报通信网中，现在很少用，现在用的是下面的较先进的分组交换技术。

3、分组交换

• 同样是存储转发形式，但对每次传输的数据块大小进行了限制，对于超过限制大小的大数据块进行合理分割成小数据块，每个小数据块附上源地址和目标地址等控制信息，构成分组，即 Packet。源节点和目标结点之间的网络结点会根据收到的分组中的控制信息选择合适的下一结点进行发送。
• 该方式优点有无建立时延、线路利用率高、简化了存储管理、加速传输和减少出错概率和重发数据量；简化了存储管理，体现在由于分组长度固定，交换结点的存储器管理可以简化为缓冲管理；加速传输指在交换结点上，此分组的存储操作和上一个分组的转发操作可以并行执行；由于分组较短，出错概率也小进而重发数据量也就低。
• 缺点是有传输时延；需要额外的信息量，额外信息就是分组的控制信息；当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失和重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，较为麻烦，而在采用虚电路服务时，需要呼叫建立、数据传输和虚电路释放。

4、交换技术简单归纳

• 电路交换：整个报文的比特流连续的从源结点直达终点，如同在一个管道中传输。
• 报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储后查找转发表，转发到下一结点。
• 分组交换：类似报文交换，只不过单位变成分组。
  

五、分组交换

• 分组交换交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，可分为虚电路方式和数据报方式，前者面向连接而后者无连接，都由网络层提供。
• 1、数据报
• 此方式下，端系统的高层协议将要发送的报文拆分成带有序号的数据单元，然后网络层加上地址等控制信息形成数据报分组进行发送，而中间节点存储分组后选择最佳路由转发分组，不同分组可以有不同路由。
  
• 其过程如上图：
  ① 发送端将分组逐个发往与自己直接相连的交换结点，交换节点将分组缓存
  ② 交换节点查找自己的转发表，将收到分组根据不同时刻下的转发表将分组转发不同或相同的下一结点；网络上的其他节点也是如此
  ③ 目的机将收到的分组排序，进行相关后续处理。
• 数据报服务有如下特点：
  ① 无需建立专用连接，随时可发送分组
  ② 网路尽最大努力交付，传输不保证可靠性；分组独立选择路由，分组不一定按序到达目的
  ③ 在交换节点，分组需要排队等候处理，带来一定时延
  ④ 每个分组需包括源地址和目的端地址
  ⑤ 网络具有冗余路径
  ⑥ 存储转发时延较小
  ⑦ 收发双方不独占线路

2、虚电路

• 该方式试图将数据报方式和电路交换方式结合，充分发挥两种方式的优点，从而达到最佳的数据交换效果。
• 进行数据传输前，要求收发双方建立一条逻辑上相连的虚电路，连接一旦建立便固定了虚电路所对应的物理路径；同样有虚电路建立、数据传输和虚电路释放三个阶段。
• 在虚电路方式下，端系统每次建立虚电路时为其分配一个未使用过的虚电路号，而分组的控制信息在已有的分组号和校验和等基础上加上虚电路号；虚电路网络中的每个结点都维护一张虚电路表，该表表项记录了一个打开的虚电路的信息——接收链路和发送链路虚电路号、前一结点和下一结点的标识。
• 虚电路支持进行双向数据传输。
  
• 过程如上图：
  ① 收发双方先建立逻辑通路，然后发送端发送一个特殊的“呼叫请求”分组给目的端，目的端收到该分组后若同意连接，则发送“呼叫应答”分组给发送端
  ② 收发双方进行数据通信
  ③ 通信结束时，发送端发送“请求释放”分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接。
• 虚电路具有如下几方面的特点：
  ① 虚电路的建立和解除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组显得很浪费，对长时间、频繁的数据交换效率较高
  ② 虚电路的路由选择体现在建立连接阶段，一旦连接建立便确定了传输路径。
  ③ 提供可靠的通信功能，保证每个分组正确有序的到达，并对两个数据端点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可通知发送方暂缓发送。
  ④ 抗干扰性较差，体现在东网络中某结点或某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都将遭到破坏。
  ⑤ 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。
• 注意：虚电路的“虚”体现在，每条虚电路都不是专用线路，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路经过，也能同时与多个结点间建立虚电路；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进程服务，这些虚电路的实际路由可以相同也可以不同。

3、两种方式的比较