计算机网络期末复习笔记（一）

物理层的功能：解决计算机之间比特传输问题（而不是指具体的传输媒体），即透明传输比特流（尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段带来的差异），关心的是点到点的问题。

---

一、通信基础知识

一个数据通信系统包括三个大部分：源系统（发送端，接收方），传输系统（传输网络），目的系统（接收端，接收方）

基本术语

1. 数据：运送消息的实体。信息在传输之前需要进行编码，编码后的消息就变成了数据（将消息存储到计算机中形成二进制比特流）。
2. 信源：产生和发送数据的源头。 信宿：接收数据的终点。
3. 信道：信号传输的通道（传输媒介），一般来表示向某一个方向传送信息的介质，一端是发送信道，另一端是接收信道。一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）。
4. 基带信号：信源发出的没有经过调制的信号。（无特别说明，计网书主要指数字基带信号）

通信方式

1. 单工通信：只有一个方向上的通信而没有反方向的交互 电视机，广播
2. 半双工通信：通信双方可以发送或接收数据，但不能同时发送和接收 对讲机
3. 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息电话

几种编码方式

1. 非归零编码：正电平代表1，负电平代表0
2. 归零编码：正脉冲代表1，负脉冲代表0
3. 曼彻斯特编码：从高跳低表示1，相反表示0
4. 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制要高
不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（没有自同步能力）
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力

码元

在时域（使用时间域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

1. 一码元可以携带多个比特的信息量
2. 当码元的离散状态有M个时（M>2）此时码元称为M进制码元
   

二、信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传输，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，接受端波形失真就约严重。

1.信道带宽

码元传输速率限制因素一：信道能够通过的频率范围

2.奈氏准则

1. 码元速率是有上限的，传输速率过限，会产生码间串扰
2. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率做出限制
3. 从奈氏准则得到的启发：提高比特传输速率，采用多元调制方法（QAM），使每个码元能携带更多比特的信息。
   码元的传输速率的上限值=2W（波特）
   W是信道的带宽

码元传输速率的限制条件二：信噪比（dB）=10 log₁₀（S/N）
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝作为度量单位。

3.香农定理

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
2. 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输
3. 若信道带宽W或信噪比S/N没有上限，则信道的极限信息传输速率C也就没有上限
4. 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少
   香农公式：C=Wlog₂（1+S/N）(bit/s）
   W为信道的带宽（HZ）
   S为信道内所传信号的平均功率
   N为信道内部的高斯噪声功率
   

4.二者总结

1. 奈氏准则：不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元能够携带更多信息
2. 香农公式：在有噪声的信道上，任何编码技术，不能突破香农定理给出的信息传输速率
   
   

三、信道复用技术

复用：允许用户使用一个共享信道进行通信

多路复用技术：

1. 把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率
2. 把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个结点之间通信的互不干扰的信道，就是把广播信道转变为点对点信道
   
   左为复用器，右为分用器，它们总是成对使用

1.频分复用（FDM）

1. 使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的位置，彼此互不干扰，各路信号就在自己所分配到的信道中传送。
2. 频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源
3. 频分复用所有子信道传输的信号以并行的方式工作
4. 更多的用户轮流使用这N个频带，这种使用方式称为频分多址接入（FDMA）
   

2.时分复用

1. 时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙（同步时分复用）
2. 每一路信号所占用的时隙是周期性的出现（其周期就是TDM帧的长度），TDM信号也称为等时信号
3. 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度
4. 更多的用户轮流使用这4个时隙，这种使用方式称为时分多址接入（TDMA）
   

3.波分复用

1. 光波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号，在发送端经复用器把这些光载波信号汇合在一起，并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输
2. 接收端经分用器将各种波长的光载波进行分离，可以是单向传输，也可以是双向传输。光的波分复用可理解为光的频分复用。
   

4.码分复用（CDMA）

码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式

码片序列

码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔

每个站被指派一个唯一的mbit码片序列，发送比特1，则发送自己的mbit码片序列；发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

扩频通信

1. 直接序列扩频（DSSS）
   
2. 跳频扩频（HSS）
   依据调频码，使载波的频率不停地跳变

CDMA的重要特点

1. 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交
2. 码序列
   随机码：无论码片有多长都不会出现循环的情况
   伪随机码：在码片长度达到一定程度时会从其第一位开始循环，由于循环长度过大，可以当做随机码使用。
   3.正交关系
   
   

---

总结

以上所有知识点和图片均来自计算机网络课本，本博客只是对知识复习的一个笔记。