【计算机网络】第3章 数据通信技术基础（数据通信性能指标、传输介质、数据交换技术、差错控制技术）

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数据通信的基本概念

信息、数据和信号

数据通信系统

数据通信系统的性能指标

数据传输速率（传码速率、传信速率）

• 传码速率：又称为调制速率、波特率，记作 N_Bd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud）。

• 传信速率：又称为比特率，记作R_b，是指在数据通信系统中，每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s，或 kbit/s 或 Mbit/s）。
  千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
  兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
  吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
  太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）

【例】求传码速率和传信速率

信道带宽（模拟信道、数字信道）、误码率

• 信号带宽：(bandwidth)是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 模拟信道：表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路带宽(通频带)。
• 数字信道：“带宽”是 所能传送的“最高数据率” 同义语，单位是“比特每秒”。、

【例】求误码率

误码率：在一定时间内接收到出错的比特数e1与总的传输比特数e2之比。
公式：P_e = (e₁ / e₂) x 100%

时延（发送时延、传播时延、处理时延）

• 发送时延：又称为传输时延，发送数据时，使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
• 信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。
  
• 传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
• 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
  

处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

• 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。
• 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
  

数据从源点到达目的点所经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和；

【例】计算发送时延和传播时延

信道容量（奈氏准则、香农公式）

• 信道容量：是指在一定的条件下（误码率，噪声，带宽等），给定通信路径（信道）上所能达到的最大数据传输速率。
• 奈氏准则：在理想的条件下，即一个无噪声，带宽为W 赫兹的信道，其传码速率最高为 2W 波特。
  
• 信噪比： $（dB）= 10 log_{10} （S/ N）$
• 香农定理：信道的极限信息传输速率 C(信道容量） 可表达为： $C = W log_2 (1+S/N ) b/s$
  W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
  S / N为信道内信号和噪声的功率之比；

【例】奈氏准则求信道容量、香农公式求最大信息传输速率

传输介质

有线的传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）

双绞线：

• 双绞线可用于模拟传输和数字传输。
  

同轴电缆：

• 同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。
• 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。
  

光纤：

• 物理原理是不停地发生全反射，使信号向前传播 。

• 多模光纤：会产生一定程度的失真。

• 单模光纤：脉冲形状几乎不变，可用于长距离传输，价格比多模更贵。
  

• 光纤的优点： 通信容量大； 传输距离远； 串扰小，信号传输质量高； 光纤抗电磁干扰，保密性好； ……

• 光纤的缺点： 切断和连接操作技术复杂； 不易维护； ……

无线的传输介质（无线电波、地面微波、卫星微波、红外线）

无线传输出现的原因：

• 在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距离较远的情况下，使用无线传输方式，成本较低。
• 信息技术的发展，人们要求在运动中进行电话通信或计算机通信。
• 无线电波可以在自由空间各个方向传播，实现多种通信。这种通信不使用前述的各种导向传输媒体，所以又称为“非导向传输媒体”。

无线传输所使用的频段很广，人们可以根据需要使用不同频段特性进行通信。

• 传统无线电：长波、中波、短波、 甚高频、特高频、超高频、极高频
• 微波通信（2－40GHz，直线传播)
  • 地面接力微波：在地面建立若干微波中继站，中继站将前一站信号接收，放大后转发到下一站，实现“接力”式传输。
  • 卫星通信：将微波中继站放在卫星上实现。通信建立远，覆盖面积大。

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无线电波

• 无线电波是一个广义的概念，从含义上讲，无线电波是全向传播，而微波是定向传播。
• 无线电波不同频段用于不同通信方式：
  2400 ~ 2483.5MHz，用于蓝牙通信；
  3 ~ 30 MHz，用于短波通信；
  300 ~ 3000KHz，用于中波通信；
  …

地面微波

• 地面微波的工作频率范围一般为1～20 GHz，其特点是直线传播，因此只能在视距范围内进行传输。由于受到地形和天线高度的限制，两微波站间的通信距离一般为 30～50 km。
  
  卫星微波
• 只要地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。
• 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达18000多公里。
  

红外线

• 红外线技术已经在计算机通信中得到了应用 ，例如两台笔记本电脑对着红外接口，可传输文件。
• 红外线链路只需一对收发器，可调制不相干的红外光，在视线距离的范围内传输，具有很强的方向性。
  

多路复用技术（频分、时分、码分、波分复用）

随着电子技术和计算机技术的发展，通信终端和交换设备的性能不断提高，而价格却迅速降低。
对于有线的传输媒介来说，由于资源有限，制造成本增加，即使采用原料丰富的光纤线路，但铺设费用也在增长。其投资在整个通信网络占有的比重越来越大。
对于无线传输媒介来说，有限的可用频率更是一种非常宝贵的通信资源。

多路复用技术是指在一条通信线路中传输多路信号，以提高传输媒介利用率的技术。

频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）

• 当传输信道的带宽较大，而所传输的信号只需部分带宽就可实现有效传送，则可以在信道中同时传输多路信号，每路信号占用部分带宽。（好比大马路这么宽，上面只开了一辆车子十分浪费，可以让很多辆车子在上面开）
• 频分复用是按频率划分不同的子信道，每个子信道占用不同的频率范围。采用调制技术，将信号搬移到信道相应的频段上。
• 频分复用常用于载波电话系统、电视等。
  

时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）

时分复用是采用时间分片方式来实现传输信道的多路复用，即每一路信号传输都使用信道的全部带宽，但只能使用其中某个时隙（好比不同的老师，不同时间段在同一个教室里上课）。从如何分配传输介质资源的观点出发，时分多路复用又可分为两种：

• 静态时分复用
• 动态时分复用
  

码分复用 CDM（Code Division Multiplexing）

码分复用是蜂窝移动通信中迅速发展的一种信号处理方式。

• 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
  
  
  
  

波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）

数据交换技术（电路交换、报文交换、分组交换）

• 交换是一种集中和转接的概念。
  
• 如果网络的分布范围广，用户众多，网络拓扑结构复杂。多个用户之间的通信，如果采用点对点直接连接的方式，网络规模大，费用高，线路利用率低。
  
• 采用交换方式（中间设置为交换机），利用集中和转接的概念，通过选择和复用技术，可以提高线路资源的利用率，简化网络拓扑结构，降低网络成本。
  

下图中，交换机被称为交换节点，一系列交换节点组成了通信子网（交换子网）。

一个通信网络由许多交换节点组成，信息在网络中的传输要经过一系列的交换节点，从一条线路转换的另一条线路，最后到达目的地。

交换节点转发信息的方式，就称为交换方式：

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换
  

电路交换

特点：

• 在通信之前，需要在主、被叫用户之间建立一条物理连接。
• 由于采用了静态的时分复用，是预分配带宽，数据到达了交换机不需要排队等待，这样做的优点是电路交换是一种实时交换，适用于实时要求高的话音通信 。缺点是即使双方无数据传送也白白占用线路，所以线路利用率低。
• 在传送数据时，没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务。

报文交换

特点：

• 交换节点采用存储－转发方式对每份报文完整地加以处理。
• 每份报文中含有报头，包含收、发双方的地址，以便交换节点进行路由选择，可以一对多地传送报文。
• 存储－转发时延大，随机性也大。

分组交换

特点：

• 在数据传输之前，不需要建立连接
• 由于提供了动态时分复用，因此提高了通信线路的利用率。
• 网络的生存性好，当网络内线路或设备产生故障后，可以自动为 分组选择一条迂回路由，避开故障点，不会引起通信中断。
• 由于采用存储—转发方式处理分组，所以分组在网络内的平均时延要比电路交换高。
• 每个分组由于都要包含完整的目的地地址等信息，这些信息都放在附加的分组头里，都会需要交换机分析处理，所以会增加开销。

三者比较

差错控制技术

差错控制原理（概述、随机差错、突发差错、基本思想）

传输差错：通信接收端收到的数据和发送端发送的数据不一致的情况。

由于数据通信系统本身传输特性的不理想和外部干扰的存在，传输中出现差错是不可避免的。

差错控制的目的是采取有效的措施来发现和纠正差错，以提高数据传输的质量。

差错的分类及产生的原因：

• 随机差错
  原因： 信道热噪声
  特点： 随机的、单个的
• 突发差错
  原因： 脉冲噪声（如闪电）
  特点： 成片的、连续的

差错控制的基本思想：
这张图很形象，传输时增加一些看似冗余的数据，实际上可以帮助检测和纠正差错。

• 在通信信道中所传输的数据码元是独立的、随机的，接收方无法判断所接收的码元是否存在差错。
• 发送的数据码元序列中加入监督位，并进行某种变换，使它们和原来相互独立的数据码元之间具有某种约束关系。
• 由于这些监督位对于表达信息是“冗余”的，差错控制在一定程度上会降低信息的传输效率。
  
• 接收端检测接收的数据码元和监督码元的约束关系，如果发现这种约束关系被破坏，则接收端可以检测到差错，甚至可以纠正差错。
• 如果这种约束关系没有被破坏，则可以认为没有差错。但也存在差错未被检测出来的可能性。

差错控制方式（检错重发、前向纠错、混合纠错检错、信息反馈）

• 检错重发：接收端检测到差错设法通知发送端重发，如 ARQ。（用的最多）
• 前向纠错：接收端发现差错后，直接纠正错码。
• 混合纠错检错：少量差错情况下自动纠正，否则自动请求重传。（上面两种的综合）
• 信息反馈：接收端将收到的数据全部转发给发送端供发送方比较。（要求高，实时性差）

差错控制编码（奇偶校验码、循环冗余码）

差错控制编码主要分为：

• 检错码
  • 奇偶校验码
  • 循环冗余码
  • …
• 纠错码
  • 汉明码
  • …

奇偶校验码

循环冗余码

• 编码规则：
  
  比特序列 ——> 循环码多项式：
  

模2加减法、模2除法

模2除法需要用到模2加减法，关于模2加减法，其实就是异或操作，规则如下:

// 不需要考虑进位和借位
// 模2加减法就是异或操作: 相同为0, 不同为1
0 ± 0 = 0
1 ± 1 = 0
0 ± 1 = 1
1 ± 0 = 1
例: 1101 ± 1001 = 0100
计算如下:
		  1 1 0 1 
		± 1 0 0 1 
		-----------
		  0 1 0 0

模2除法:
模2除法的特点：每一位除的结果不影响其它位，即不向上一位借位

模2除法原则：

1. 被除数的首位为1，商为1
2. 被除数的首位为0，商为0
3. 模2除法等同于按位异或，要保证每次除完首位都为0，才能进行右移
4. 计算时每次右移一位，当被除数的位数小于除数，其为余数

友情提示：上面模2原则实际上没有必要看，大体上就是正常除法的步骤，记住模2除法等同于异或，每次除完，下一个被除数去掉首位的0，后面补1位，继续除。

例：1111000对除数1101做模2除法，先说结果：商1011余111

       1 0 1 1     //商
---------------
|1 1 1 1 0 0 0     // 这是被除数, 且首位为1
|1 1 0 1	       // 被除数首位为1, 商为1
---------------
  |0 1 0 0 0 0     // 抛弃首部的0, 后面补1位
  |0 0 0 0         // 被除数首位为0, 商为0
    -----------
    |1 0 0 0 0     // 抛弃首部的0, 后面补1位
    |1 1 0 1       // 被除数首位为1, 商为1  
      ---------
      |1 0 1 0     // 抛弃首部的0, 后面补1位, 此时后面已经没得补了
      |1 1 0 1     // 被除数首部为1, 商为1
        -------
        |1 1 1     // 被除数的位数小于除数, 这就是余数

【例】循环冗余码编码示例

模 2 除法：

【例】循环冗余码检错