第二章 网络通信基本原理

主要内容：

1、通信系统基本组成；

2、数据编码方法；

3、差错处理技术；

4、多路复用技术；

5、数据交换方式

6、两种常规传输控制规程；

一、通信系统基本组成

1、信源/信宿

信号的发送/接收者

数据：  静态存储于不同的介质之上

信号：模拟信号(AnalogSignals)，数字信号 (Digital Signals)   

2、通信信道

信息传输的途径，含传输媒体和中继设施

有线信道：双绞线、电缆、光纤等，能量集中在导线附近（各自特点？）

无线信道：自由空间，红外、微波、无线电波等，能量向空间发散，传输效率低，安全性差（各自特点？）

模拟信道：支持模拟信号传输，电话线、双绞线等，使用放大器补充能量

数字信道：支持数字信号传输，光纤等，使用中继器识别和还原

3、信号变换器

变换器：进行信号变换以适合信道传输，或者信宿接收

二、信息和信号

信息和信号都分为数字和模拟两类；

信号是信息在传输介质上的体现形式。

三、信道带宽和信道容量

信道带宽：不失真的传输信号的频率范围；

信道容量：单位时间内传输的最大信号量，单位bps；

以上二者成正比关系，常用带宽表示容量；

差错率：出错比特数与传输比特数的比值；

四、调制解调器、编码解码器

调制（Modulaton）：将数据信息转换成适合在模拟信道上传输的电磁波（载波）信号，并将频率限制在模拟信道范围内；（调幅，调频，调相，组合调制）

解调（Demodulaton）：从模拟信道上收取载波信号，并转化为数字信息；

波特率：每秒钟传送信号的次数，也称调制速率。

比特率：每秒钟传送的二进制位数，也称信道速率

信道速率=波特率xlog2N(N为信号的状态数）

编码/解码（Coding/Decoding）：实现模拟信号、数字信号之间的转化。采样、量化、编码；

五、传输编码

分为字符编码，通信编码两部分；

1、字符编码：用二进制表示字符（BCD，BCDIC，EBCDIC，IA5（ASCII））

2、通信编码：利用特定电平信号表示二进制0,1；

如：（RS-23,NRZI,曼彻斯特,差分曼彻斯特,4b/5b）

NRZI不含同步信息，难以传送大量信息；

曼彻斯特,差分曼彻斯特虽然解决了同步问题，但造成带宽浪费50%；

4b/5b编码主要用于光纤通信，用5位表示4位信息（提高带宽利用率到80%），用NRZI编码表示（解决1同步），至少两个1（解决0同步），部分未标示信息的部分用来控制或描述线路状态

六、差错处理

数据在传输过程中差错是不可避免的。

1、反馈重传法（ARQ）

发送方发送检错码

->接收方根据编码规则验证数据代码，并将结果反馈

->发送方根据反馈结果决定是否重传

->若在规定时间内发送方未收到反馈，则重传

利用反馈重传法原理：“停-等协议”，“滑动窗口协议 ”

2、“停-等协议”：

半双工，控制简单易于实现，效率低（尤其是在信道质量好，差错率低的情况下，等待ACK占用较多时间）

3、“滑动窗口协议”：针对停等协议改进；

全双工，控制相对复杂，效率高（尤其是在信道质量好，差错率低的情况下，尤其是在合理设置接收方等待时间后）需反馈信道支持，成本增加

停等协议是滑动窗口协议中窗口尺寸为1的特例；

七、检错码

包括信息字段和校验字段；校验字段越长，建错能力越强，编码解码越复杂，冗余信息比例越大，传输效率越低；

1、奇偶校验码

水平、垂直、水平垂直奇偶（纠一位错，检查除两个相同位互补的错）校验码三种

2、循环冗余校验码（Cycle Redundancy Check,CRC）：信息字段和校验字段长度任意（无进位除法）

CRC可检测所有影响奇数位的突发错误

可检测所有长度小于或等于多项式阶数的突发错误

可以非常高的概率检测出长度大于多项式阶数的突发错误

一般数据量不大时，使用一般的验错方法，数据量大时，就可以使用CRC校验；据理论统计，用CRC16时，超过17个连续位的错误侦测率为99.9969%，小于此时为100%。

3、正反码：信息字段1个数为奇数，则校验字段取值等于信息字段，反之，校验字段取值等于信息字段的反码；

具有纠正一位错能力，编码效率为50%；

4、海明校验码：纠一位错，同时检测两位错，用于信道质量较好的情况。

八、多路复用

复用的需求：通信中“质”和“量”的要求，现有通信线路的不足及成本因素

复用的基础：现有通信线路(主干)的带宽较大，各种复用技术的产生

复用技术：FDM(Frequency division multiplexing，模拟技术)，TDM(Time division mutiplexing，数字技术)，WDM(WaveLength division mutiplexing，光纤传输，数字技术)，CDM(Code division mutiplexing，数字技术，基于拓频技术)，CDMA(Code Division Multiple Access，一种码分复用技术)   

 

复用技术可分为静态和动态复用。
集中传输的思路即为动态按需分配子信道，这样物理信道的利用率更高。（常需要缓冲区），集中传输又常被称为异步时分多路复用（ATDM）

九、数据交换

为什么要进行数据交换：物理线路过长，需要中间节点组成的网络将数据发往目的地，也为了线路的复用。

什么是交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望使用较少的设备和线路实现所有终端的可达性。动态地接通或断开通信线路的过程，称为“交换”。

中间节点不关心数据内容，仅将数据从一个端口交换到另一个端口，直至目的地。因而中间节点成为交换设备，数据传输过程称为交换过程。为区分交换设备和终端设备，常分别称为结点和站点。

数据交换常用方式：

电路交换（Circuit）  独占线路

报文交换（Paragraph）存储转发方式

分组交换（Packet）   存储转发方式

1、电路交换（Circuitswitching）

原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方，典型的如电话交换网（端交换局）。

三个阶段：建立电路，传输数据，拆除电路

特点：在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路；建立物理通路时间较长，而数据传送延迟较短；独占通信通路，易于形成交换阻塞

2、报文交换（paragraph）

传输单位为整个报文，大小不定

存储转发（storeand forward) 机制

链路共享，节点排队

依据一定的规则动态选择下一条传输路径

网络延迟

3、分组交换（Packet）

一次交换一个固定上限的信息单位（packet）

存储转发方式(store and forward)

分组交换—数据报

分组交换—虚电路（兼有电路交换和报文交换的特点）

虚电路—交换虚电路和永久虚电路

（1）数据报（Datagram）

没有固定的路径；每个分组（packet）独立传输；同一过程中的不同分组可有不同的传输路径

（2）虚电路方式（VirtualCircuit）

虚电路

相对于电路交换而言，这里的路径是逻辑信道

同电路交换一样，每次传输过程具有固定的路径

同样具有路径的建立、传输和拆除过程

交换虚电路（SwitchedVirtual Circuit）

每条虚电路在需要的时候被动态创建

同一传输过程中的路径不变

传输过程结束时路径被释放

永久虚电路（Permanent Virtual Circuit）

通信双方的虚电路预先分配

同一传输过程中的路径不变

传输过程结束时路径不被释放

4、三种交换的传输比较