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通信基础

基本概念​

码元

用一个 固定时长的信号波形（数字脉冲） 表示一位 k 进制数字。一个码元可以携带若干比特的信息。

信源、信道、信宿（终点）、噪声

通信系统中，信源发送的数据需要经过变换器转换为适合在信道上传输的形式，在传播途中，会有噪声的干扰，接收时，需要经过反变换器才能传给信宿。

由交互方式，可分为：

  1. 单工，仅允许一个方向的通信，需要一个信道，如无线电广播等；
  2. 半双工，允许两个方向的通信，但同时只允许一个方向，需要两个信道；
  3. 全双工通信，可以同时通信，需要两个信道。

::: info 为什么半双工需要两个信道

理论上半双工通信只需要 1 条信道，2 条信道是一种设计模式，因为有时候你发送的消息需要一个确实帧 (它比较短而且只起确认作用)，但你用一条信道的话会影响消息的及时性，所以用两条，既能提升通信效率，又能避免冲突

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速率、波特

速率也称为数据率，单位时间传输的数据量，当单位是每秒传输的码元数量时，称为波特率。

奈奎斯特定理与香农定理​

奈奎斯特定理

info

码间串扰：由于数据传输过程中高频分量往往不能通过信道，导致接收端受到的信号失去了码元之间的分界。

在理想低通（无噪声，带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，计算波特率为 2 W，其中 W 是理想低通信道的带宽，极限比特率为

2Wlog⁡2V2W\log_{2}V

V 为码元的离散水平，即一个码元可以表示多少个数。

香农定理

带宽受限且有高斯白噪声干扰的情况下，信道的极限波特率

Wlog⁡2(1+SN)W\log_{2}\left( 1+\frac{S}{N} \right)

其中 SN\frac{S}{N} 为传输信号平均功率和噪声功率之比，其与信噪比的公式如下

STN=10log⁡10(SN)STN=10\log_{10}\left( \frac{S}{N} \right)
caution

在有限信噪比和带宽的情况下，一个码元对应的二进制位数是有限的。

编码与调制​

tip

数据无论是数字还是模拟的，都要需要转变为信号才能传输，可分为两种：

  1. 数据 ->模拟信号：调制
  2. 数据 ->数字信号：编码

数字数据常用编码如下

编码方式几个周期表示一位表示 1表示 0备注
归零编码1周期开始时先跳变至高电平，中期中间归零始终保持低电平归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了影响
非归零编码1高电平低电平无法传送时钟信号，难以同步，若要高速同步数据，额外需要时钟线
反向非归零编码1保持信号不变翻转信号翻转信号可以作为时钟信号，USB 2.0 通信编码方式
曼彻斯顿编码2高电平到低电平低电平到高电平以太网使用
差分曼彻斯顿编码2先保持再跳变先跳变再保持局域网传输
4 B/5 B 编码将发射流的每 4 位作为一组，编码为 5 位，多余的 16 种信息作用控制码

调制为模拟信号

  1. 幅移键控（ASK），改变载波信号振幅，抗干扰差；
  2. 频移键控（FSK），改变频率，抗干扰强，应用广泛；
  3. 相移键控（PSK），改变相位，又分为绝对调相和相对调相；
  4. 正交振幅调制（QAM），结合 ASK 和 PSK，形成叠加信号，即有不同的相位，每个相位有不同的振幅。

模拟数据编码为数字信号需要经过三个步骤：

  1. 采样，基于采样定理（奈奎斯特定理），对模拟信号进行周期性扫描，将其变为离散信号，要求采样频率大于等于模拟数据的频带带宽的两倍；
  2. 量化，按照一定的标准将采样结果分级，
  3. 编码，将量化结果转换为对应的二进制编码。

模拟数据调制为模拟信号

一般将基带信心调制为高频信号，以便于传输，还可以使用频分复用技术充分利用带宽资源。

电话机和本地局交换机采用的就是此种方式，模拟的声音数据加载到模拟的载波信号中进行传输。

电路交换、报文交换和分组交换​

电路交换

数据传输前，必须先建立一条 专用独占 的 物理通信路径，通信结束后才释放。

优点

  1. 通信时延小，实时性强，数据直达，大数据量尤其；
  2. 有序传输，无失序问题；
  3. 无冲突，无物理信道争用；
  4. 使用范围广，数字模拟信号皆可；
  5. 控制简单，交换设备及控制均较简单。

缺点

  1. 建立时间长，平均连接建立时间对计算机通信来说太长；
  2. 线路独占，抗干扰差，其他用户无法使用，信道利用率低；
  3. 灵活性差，通路出现一点问题就要重新建立连接；
  4. 难以规格化，不同类型、规格、速率的终端很难相互通信，也难以在通信过程中进行差错控制。
caution

电路交换不存在存储转发，所有节点都是直通的。

报文交换

数据交换单位是报文，其包含了要发送的全部信息，需带有源地址、目标地址等信息，采用 存储转发 .

优点

  1. 无需建立连接；
  2. 动态分配路线，节点会先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲路线；
  3. 可靠，某条路径发生故障，可选择其他路径；
  4. 线路利用率高；
  5. 提供多目标服务，可以同时发送给多个地址，电路交换难以实现。

缺点

  1. 有转发时延，包括接收报文、验证正确性、排队、发送时间等；
  2. 对报文大小无限制，需要节点有足够的缓存空间；

分组交换

报文交换的改进，同样采用了存储转发的方式，但是规定了每次数据块的大小上限。

优点

在报文交换优点的基础上，额外有如下优点

  1. 传输速度更快，因为流水线工作，处理完一个分组立即发送，报文交换相当于处理完所有分组才发送；
  2. 简化了存储管理；
  3. 减少出错概率和重发数据量，分组较短，出错概率减小，出错也只需重传对应分组即可。

缺点

  1. 存储转发时延；
  2. 需要传输额外信息量，信息利用率低，因为分组长度不会太长，而额外信息固定占去一定长度，分组中数据越少，则利用率越低；
  3. 存在失序、丢失、重复问题，需要额外处理。

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，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。

info

这两种方式都由网络层提供，并且是分组交换的两种方式。

数据报

发送报文时，高层协议先将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信息形成数据报分组（即网络层的 PDU）。 不同的分组可以走不同的路径，也可以按照不同的顺序到底目的节点。

特点

  1. 无需建立连接，可随时发送和接收分组；
  2. 网络尽最大可能交付，传输不保证可靠性，也不一定按照顺序到达；
  3. 分组中要包含发送和接收段的完整地址；
  4. 存储转发时延一般小，吞吐量高，但通信量大时存储转发时需要排队，有时节点还会丢弃部分分组；
  5. 网络具有冗余路径，当出现故障时，可相应更新转发表，寻杂其他路径；
  6. 通信双方不独占某条链路，资源利用率高。

虚电路

类似将电路交换和数据报方式结合起来，发送前需要先建立一条 逻辑 上的虚电路，传输结束后再释放。

端系统建立虚电路时，需要分配一个唯一的虚电路号。 传输数据时，分组中需要有分组号、校验和等控制信息，还要有虚电路号来寻找到所要通过的虚电路（没有目标地址）。

路由器会根据内部的虚电路表唯一有序的存储转发分组。

传输介质

双绞线、同轴电缆、光线和无线传输介质​

传输介质可以分为 导向传输介质（铜线、光纤等） 和 非导向传输介质（空气、真空、海水等）.

双绞线

最常用的古老传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。

info

绞合是为了减少相邻导线的电磁干扰，为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一层金属丝编制的屏蔽层，这就是 屏蔽双绞线（STP）. 没有屏蔽层的被称为非屏蔽双绞线（UTP）。

双绞线的价格便宜，常在局域网的传统电话网中使用，其 带宽取决于铜线的粗细和传输的距离，数字和模拟传输均可使用双绞线，通信距离一般为几千米到数十千米。

距离太远时，对于模拟传输，需要使用放大器放大，对于数字传输，需要使用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

由内导体、绝缘层、网状编制屏蔽线和塑料外壳组成，根据特性阻抗不同，可分为 50 欧姆同轴电缆 (主要用于传输基带数字信号，又称基带同轴电缆，主要用于局域网) 和 75 欧姆同轴电缆（主要用于传送宽带信号，又称宽带同轴电缆，可用于有线电视）。

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但是价格较双绞线更贵。

光纤

利用光导纤维传递光脉冲进行通信，有光脉冲表示 1，无表示 0，可见光频率约为 108MHZ10^8MHZ，因此其带宽范围极大。

光纤由纤芯和包层组成，纤芯直接只有 8-100 um，包层的折射率比纤芯更低，因此光脉冲会发生全反射。

利用全反射的特性，可以将从不同角度入射的多条光纤在同一根光纤中传输，称为 多模光纤，其光源为发光二极管，光脉冲在其中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此只适合近距离传输。

光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线向前传播而不会产生多次反射，称为 单模光纤，直径只有几微米，制造成本高，光源为定向性很好的半导体激光器，因此其衰减小，可传输数十千米而不使用中继器，适合远距离传输。

光纤还有如下特点：

  1. 传输损耗小，远距离传输经济；
  2. 抗雷电和电磁干扰性能好；
  3. 无串音干扰，保密性好，不易被窃听和截取；
  4. 体积小，重量轻。

无线电波

具有较强的穿透能力，可以传输很长距离，因此被广泛应用于通信领域，如无线手机通信、无线局域网（WLAN）。 其向所有方向传播，简化了通信连接。

微波、红外线和激光

目前高带宽的无线通信，都需要通信双方存在一条视线（line og sight）通路，具有很强的方向性，沿直线传播，有时统称三者为 视线介质。

微波通信的频率很高，为 2-40 GHZ，因此信道容量大，一个 2 MHZ 的频段可容纳 500 条语音线路，若传输数字信号，数据率可达数兆比特每秒。 但是传播距离有限，需要使用中继站。

卫星通信利用地球同步卫星作为中继来发送微波信号，其优点是通信容量大、距离远、覆盖广、但是保密性差，端到端传播时延长。

物理层接口的特性​

  1. 机械特性，接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置；
  2. 电气特性，电压范围；
  3. 功能特性，不同电平电压的含义；
  4. 过程特性，规程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

常用的物理层接口标准有 EIA RS-233-C、ADSL 和 SONET/SDH 等。

物理层设备

中继器​

将信号整形、放大在转发出去，以消除信号产生的失真和衰减。 其原理是信号再生（而非单纯的放大）。

caution

中继器工作在物理层，因此其不能连接两个具有不同速率的局域网。

一般认为有存储转发的功能才能连接两个不同的协议。

理论上，中继器的使用数目无线，网络因而也可以无限延长，但是网络标准中对信号延迟范围做出了具体规定。

集线器​

实际上是一个多端口的中继器，其将处理后的信号广播到所有端口（除了输出端口），但是如果同时有对于多个端口输入，则会产生冲突，因此实际平均带宽可能很低。

其他

传输媒体和物理层的区别

传输媒体有时被称为 0 层，其在物理层之下，用于传输信号，但是其并不知道所传信号代表什么，而物理层规定了电气特性，因此可以识别所传传送的比特流。

基带传输、频带传输和宽带传输

不经调制直接传输被称为基带传输，常用于局域网；

用数字信号对特定频率的载波惊醒调制，就是频带传输，常用于远距离传输和无线传输，并且可以实现多路复用。

借助频带传输，可以将链路容量分为多个信道，就是宽带传输，其不同信道的信号互不干扰。

奈奎斯特定理和香农定理

前者指出码元传输的速率有限，否则接收端就不能正确判断码元（码间串扰）。 其是在理想条件下推导出，实际条件下的传输速率要小得多。

后者给出了信息传输速率的极限，考虑了信噪比和带宽。

caution

两者中带宽的单位都是赫兹。

信噪比为什么要取对数

二者等价，只是单位不同。 有时信号比噪声强很多，比如 10 亿倍，化成分贝为单位则只有 90，不容易丢失后面的 0.