计算机网络
知 识 梳 理
（第一版）
建议先修课程：数据结构。
配套教材：
Computer Networking - A Top Down Approach, 7th edition James F. Kurose, Keith W. Ross
参考书目：
1、计算机网络（第7版） 谢希仁 编著 高等教育出版社
链接：https://pan.baidu.com/s/15eYJyBlKXY2KLrxcEi4P1w
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附录一 物理层与通信基础
物理层需要对上层屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，这就使得数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。其实物理层规程就是物理层协议，只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。
物理层为数据链路层透明（transparent）地传送比特流。注意：有些地方说“透明”是使物理层不关心数据链路层的数据含义，这个不准确。服务是底层为上层提供的，不是上层为底层提供的。
物理层的主要任务是：确定与传输媒体的接口有关的一些特性。这些特性包括：
(1) 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置，等等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
(2) 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
(3) 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
(4) 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上一般都是串行传输的。原因有很多：
首先是经济问题。对任何一种协议，提高总带宽不过是两种办法：提高单根线的传输速率，以及增加电线的数目。若增加线路数量，相应的芯片也需要增加引脚，这会导致封装面积的增大，芯片所在的PCB上也需要增加额外的电路，使得设计和制造成本大大增加。在计算机发展史的早期，有许多并行传输的接口。后来工程师们发现了能够非常显著地提升串行传输速率的办法，并行传输的吸引力就没那么大了。
其次是并行传输存在通道间干扰的问题，只要传输频率较高，信号线之间的干扰就会非常严重，使得需要不断重复发送数据才能得到正确的数据；而串口只有一根信号线，干扰很小，很容易提高时钟频率，以此提升传输速率。在计算机间传输数据时，需要经过很长的走线，衰减（attenuation）严重，抗干扰能力较差，使得串行传输更为合适。此外，并行传输对电源的供电能力提出了很高的要求。如果供电质量不过关，信号质量就会很差，只能被迫降低速度或重新传输出错的数据。
一些新型的数据传输方式往往将串行和并行结合起来使用。
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
源系统一般包括两部分：
·源点（source）。源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
·发送器。通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。
目的系统一般也包括以下两个部分：
·接收器。接收器接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
·终点（destination）。终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。
通信的目的是传送消息（message）。话音、文字、图像、视频等都是消息。数据（data）是运送消息的实体。RFC 4949定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其它机器或人产生与处理。信号（signal）则是数据的电气或电磁的表现。
其实消息和数据的定义我们不用过于纠结，只要不影响对上下文的理解，就不必要求这两个词严格符合上述定义。
根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号分为两类：
(1) 模拟信号，或连续信号。代表消息的参数的取值是连续的。自然界的声音和无线电波都属于模拟信号。
(2) 数字信号，或离散信号。代表消息的参数的取值是离散的。芯片产生的方波是一种数字信号。在使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，分别代表0和1。若一种电平表示2位（00、01、10、11），就有4种不同的码元。
在许多情况下，我们使用信道（channel）这一名词。信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含发送信道和接收信道。
从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
(1) 单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而从来没有另一个方向的通信。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
(2) 双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送（接收）。这种通信方式只允许一方发送另一方接收，不过一段时间后可以反过来。
(3) 双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时收发信息。
单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。
这里要注意，有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。正因为如此，ITU-T才不采用“单工”、“半双工”和“全双工”这些容易弄混的术语作为正式的名词。
来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量：例如，线圈中产生振荡电流时，如果电流的频率较低，那么它在周围空间激起电磁波的能力就很差，就难以将信号转换为无线电波发射出去。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。
调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码（coding）。另一类调制为载波（carrier wave）调制：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输，称为宽带传输，与基带传输（数字传输，通过通道发送数字信号或基带信号）相对。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。例如，声音信号是低频的，一般不超过22 kHz。制作AM或FM广播节目时，录制的声音要与高频载波叠加后再发射。
常用的编码方式有四种：
•不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
•归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
•Manchester编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表l；也可反过来定义。
•差分Manchester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。
从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。自同步，是指信号中包含有提示接收方起始、中间和结束的脉冲的跳变；如果接收方的时钟不同步，这些跳变就会将接收方时钟复位。
基本的带通调制方法有三种：
·调幅 (AM)：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
·调频 (FM)：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f_1或f_2。
·调相 (PM)：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。
信号传输的过程中，会受到周围噪声（noise）的干扰，并且信号本身也会衰减。噪声和距离都会令信号逐渐失真。当传输速率较高或传输媒体质量较差时，失真会更加严重。
限制码元在信道上的传输速率的因素有：
·信道能够通过的频率范围（有效带宽），以及使用的电平数量。
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，许多高频或低频分量往往不易通过信道。比如，矩形脉冲信号包含很丰富的高频分量。理想方波的位移与时间的关系由下式刻画：
x_"square " (t)=4/π ∑_(k=1)^∞▒ sin((2k-1)2πft)/((2k-1) )=4/π (sin(2πft)+1/3 sin(6πft)+1/5 sin(10πft)+⋯)
可以看出，方波由基波及奇数次谐波叠加而成，每个高频分量与基频分量的振幅之比，都是该高频分量与基频分量的频率之比的倒数。如果数字信号中的高频分量在传输时衰减，那么接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每个码元所占的时间界限也不再明确，而是前后都拖了“尾巴”。这样，接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰，使本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。早在1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出了著名的Nyquist准则
B=2W
W为信号带宽（Hz），B为信号速率（调制速率，波特率）。该式表明带宽一定的信道的码元传输速率是有上限的。
此外，数据率（信道容量，传输速率，比特率）C与波特率B的关系是
C=B logL
（波特率的单位Bd不要写成Bd / s，Bd本身已经代表每秒的调制数。）
设L为表示数据的信号电平的数量，R为信道传输速率上限（bps）。代入R=C，将两式联立，就得到
R=2W logL
这就是在没有码间串扰时，受码元传输速率限制下的信道最大传输速率。
电平数过多会增加接收方的负担，减弱系统的可靠性。如电平数为2，接收方很容易区分1和0；若电平数为64，接收方区分64个不同电平就很复杂了。
一个电平对应一个信号元素。信号元素是数字信号的最小单位，用来承载数据元素。数据元素是表示数据块的最小单位，例如：bit。
Nyquist定理给出了在假定的理想条件下，为避免码间串扰，码元传输速率（也称信号速率、波特率、调制速率）的上限。奈氏准则的推导超出课程范围，可查阅通信原理教科书。只需知道：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰，使接收端无法对码元判决（识别）。当然，如果允许一定的码间串扰，那么码元传输速率可以继续提升。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
·信噪比（SNR）
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。信噪比，指的是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。即（log的底为2，lg的底为10，ln的底为e）：
S/N(dB)=10 lg〖S/N〗
有时候，信噪比也可以用信号的平均振幅（电压）和噪声的平均振幅之比来刻画。这时
S/N(dB)=20 lg〖S/N〗
在1948年，信息论的创始人Shannon推导出了著名的Shannon公式（有噪信道编码定理）。香农公式指出：具有随机热噪声（加性高斯白噪声，Additive white Gaussian noise，AWGN）的信道的极限信息传输速率
C=W log(1+S/N)
C, W, S, N分别代表：极限信息传输速率（bps）、信道带宽（Hz）、信号平均功率和Gauss噪声（均匀噪声）功率。香农公式的推导可在通信原理教科书中找到。这里只给出结果。
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。不过，这条公式没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。
对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率呢？答案是：有。用编码的方法可以让每一个码元携带更多位的信息量。比如，通过相位调制，可以用不同的相位表示若干个bit的组合，大大提升同样的时间段包含的信息量。
自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了通过让单个码元携带更多的位，来尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。在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。这是因为在实际信道中，信号还要受到其它的损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真，等等。这些因素在香农公式的推导过程中并未考虑。
香农公式与信号电平数无关，无论用多少个电平，信道极限速率都不可能超过C。因此，香农公式定义了信道特性，而不是传输方式。在已知信道条件（带宽和信噪比）的情况下，可以用香农公式得出数据率的上限，再由奈奎斯特准则给出所需信号的电平数。当然也可以反过来，已知可以使用的电平数量和需要的传输速率的情况下，计算出对信道带宽和信噪比的要求。
每个位最终是通过在物理介质上传播电磁波（包括光脉冲）来收发的。数据在经过一条路径时，涉及的物理介质不必都具有相同的类型。物理媒介分两类：导引媒介（guided media）和非导引媒介（unguided media）。在导引（导向）介质中，波沿着固体（光缆，双绞铜线或同轴电缆）传输。在非导引（非导向）介质中，波在自由空间传播（例如WLAN或数字卫星频道）。非导引型传输媒体就是指自由空间。电磁波在非导引媒体中的传输常称为无线传输。
在介绍各种媒介之前，先谈谈它们的成本。与其它网络成本相比，物理链路（铜线，光缆等）的成本通常较小。特别地，安装物理链路的人工成本可以比材料成本高几个数量级。因此，许多建筑商在建筑物的建设过程中，会提前为每个房间都安装好双绞线、光纤和同轴电缆。大量实践证明，即使最初只使用一种介质，也很有可能在不久的将来使用另一种介质，因此将来无需铺设额外的电线，就节省了金钱。
最便宜、最常用的引导传输介质是双绞铜线（twisted copper wire）。一百多年来，电话网络一直在使用它。从电话听筒到本地电话交换机的有线连接中，超过99 %使用双绞铜线。多数人在自己或父母或祖父母的房屋和工作单位里都能看到双绞线。双绞线由两条绝缘的铜线组成，每条约1毫米粗，呈规则的螺旋状，称为绞合（twist）。绞合是为了减少附近电线的电磁干扰。典型地，通过将铜线对包裹在屏蔽层中，许多对这样的线被捆扎在一起。电线对构成单条通信链路。非屏蔽双绞线（unshielded twisted pair，UTP）常用于建筑内的计算机网络，即LAN。使用双绞线的LAN的数据速率范围常涵盖Mbps到Gbps级别。数据速率取决于电线的粗细以及发射器和接收器的距离。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离一般为几到十几km。距离太长时就要添加放大器，将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器，对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP（Shielded Twisted Pair）。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）要贵一些。
1980年代出现光纤技术时，由于双绞线的比特率相对较低，许多人开始对其轻视。甚至有人认为光纤将完全取代双绞线。但是事实证明双绞线并不容易被弃用。现代双绞线技术，例如6a类电缆在传输距离达100米时仍可以实现10 Gbps的数据速率。双绞线成本低、尺寸小、易于安装，是高速LAN网络的主要解决方案之一。不过，双绞线相对易受干扰、信号容易衰减，传输距离有限。
双绞线也常用于住宅Internet访问（接入）。拨号调制解调器通过双绞线以56 kbps的速率进行访问。DSL技术使住宅用户能够通过双绞线（当用户离ISP的端局较近）以数十Mbps的速度访问Internet。
EIA/TIA-568规定了常用的双绞线的标准，我们常常听说的“五类线”和“超五类线”就是出自这个标准。
像双绞线一样，同轴电缆（coaxial cable）由两条铜线组成，但是两条导线是同心的而不是平行的。通过这种结构以及特殊的绝缘和屏蔽，同轴电缆可以实现良好的抗干扰能力，从而实现高传输速率。同轴电缆在有线电视系统中非常普遍。有线电视系统已与电缆调制解调器结合，为居民用户提供数十Mbps的互联网访问。在有线电视和互联网访问中，发送器将数字信号加载到特定频带，然后将所得的模拟信号从发送器发送到一个或多个接收器。同轴电缆可用作引导共享介质（guided shared medium）。具体来说，许多终端系统可以直接连接到电缆，每个终端都可以接收其它终端发送的内容。目前高质量的同轴电缆的带宽已超过1 GHz。
光纤（optical fiber）是一种薄而柔软的介质，通常是由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯只有8到100 μm，可传导光脉冲，每个脉冲代表一个位。光纤支持高达数十至数百Gbps的比特率。它们不受电磁干扰，信号经过100公里也衰减极低，并且很难窃听。这些特性使光纤成为首选的远程引导传输媒介，尤其是海外链接。美国和其它地方的许多长途电话网络现在都只使用光纤。光纤在Internet骨干网中也很普遍。但是光学设备（例如发射器，接收器和交换机）的高成本阻碍了它们在短距离传输（例如LAN或住宅网络）中的部署。
在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。在准同步系统中，各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。当传输速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题，时钟不同步会令接收方无法正确解析信息（无法识别0、1序列，无法知道信息单元的开始和结束等），导致通信失败。
同步光纤网络SONET（Synchronous Optical Network）的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（常采用昂贵的铯原子钟，其精度优于±1×10-11）。光学载波（Optical Carrier，OC）标准链路速率范围从51.8 Mbps到39.8 Gbps，这些同步传输的线路速率规范是SONET为光纤传输系统定义的，通常称作OC-n，链路速率为n×51.84 Mbps。当前使用的标准包括OC-1，OC-3，OC-12，OC-24，OC-48，OC-96，OC-192，OC-768等。对电信号，也有相应的同步传送信号（synchronous transport signal）标准STS-1、……、STS-768等。
ITU-T（国际电信联盟电信标准分局，ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector）以美国标准 SONET 为基础制订出国际标准：同步数字等级结构SDH（Synchronous Digital Hierarchy）。SDH的基本速率为155.52 Mbps，称为第1级同步传递模块（Synchronous Transfer Module）STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。
SONET / SDH标准的意义是：
·使不同的数字传输体制（这之前北美、日本、欧洲等地使用不同的标准）在STM-1等级上获得了统一。
·首次真正实现了数字传输体制上的世界性标准（各国都同意将此速率以及在此基础上的更高速率作为国际标准）。
·已成为公认的新一代理想的传输网体制。
·SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。
光纤在发送端有光源，可以采用LED或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合近距离传输。若光纤的直径减小到只有一倍光的波长，则光纤可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，直径只有几μm，制造成本较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的LED。但单模光纤的衰耗较小，在100 Gbps的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。
光纤通信常用的三个波段的中心分别为850 nm、1300 nm和1550 nm。后两种情况的衰减都较小；850 nm波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好。这三个波段都具有25 ~ 30 THz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。
由于光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2 mm，因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几公斤，完全能满足工程施工的强度要求。
总之，除了通信容量极大，光纤还具有如下的优点：
(1) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。全光网络可达4000 km的中继距离；1999年安装的中美海底光缆总长度超过12000 km。
(2) 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
(3) 无串音干扰，保密性好。光纤不辐射能量，不容泄漏。光纤也很难抽出分接头，因此不易被窃听或截取数据。
(4) 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1 km长的1000对双绞线电缆约重8000 kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100 kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要专用的设备。
事实上，长铜线不但较贵，而且是非常重的。用于远距离输电的一些变压器使用铝线，一个重要的原因就是：架设相同长度的铜线非常重，容易令高压输电线坠落。
由于生产工艺的进步，光纤的价格不断降低，因此已非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中，因为它提供了很高的带宽，而且性价比很高。在高速局域网中，光纤也用得很多。
在导引型传输媒体中，还有一种是架空明线（铜线或铁线）。这是在20世纪初就已大量使用的方法：在电线杆上架设的互相绝缘的明线。架空明线安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大。许多国家现在都已停止铺设架空明线。目前在我国的一些农村和边远地区的通信仍使用架空明线。
无线电信道（radio channel）通过电磁频谱传递信号。它很受青睐，因为无需安装线缆，可以穿墙，为移动用户提供连接，并可长距离传送信号。
地面无线电信道可大致分为三类：短距离工作的信道（例如，一或两米）；在当地运行的信道，通常跨度在十米到几百米之间；以及在数十公里的广域范围内运行的信道。无线耳机，键盘和医疗装置等个人设备进行短距离操作；WLAN技术使用局域无线信道；蜂窝接入技术使用广域无线电信道。
无线传输可使用的频段很广。人们现在已经利用了好几个波段进行通信：
Frequency Band Wave Length Frequency
LF 低频 1 km ~ 10 km 30 kHz ~ 300 kHz
MF 中频 100 m ~ 1 km 300 kHz ~ 3 MHz
HF 高频 10 m ~ 100 m 3 MHz ~ 30 MHz
VHF 甚高频（米波） 1 m ~ 10 m 30 MHz ~ 300 MHz
UHF 特高频（分米波） 0.1 m ~ 1 m (10 cm ~ 1 m) 300 MHz ~ 3 GHz
SHF 超高频（厘米波） 0.01 m ~ 0.1 m (1 cm ~ 10 cm) 3 GHz ~ 30 GHz
EHF 极高频（毫米波） 1 mm ~ 10 mm 30 GHz ~ 300 GHz
THF 0.1 mm ~ 1 mm (100 μm ~ 1 mm) 300 GHz ~ 3 THz
UHF、SHF和EHF三个频段（对应1 mm ~ 1 m的波长，300 MHz到300 GHz的频段）合称微波（microwave）频段。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50 km左右。但若建设100 m高的天线塔，则传播距离可增大到100 km。为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站。这个过程称为接力。
微波通信的优点是：
(1) 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
(2) 因为工业干扰和天电干扰（通常由闪电、带电雨雪和灰尘的运动以及电离层变化等引起）的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（甚高频）通信小得多，因而微波传输质量较高。
(3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
当然，微波通信也具有不少缺点：
(1) 相邻站之间必须直视（指标为视距LOS（Line Of Sight）），不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真（多径传播，见第7章）。
(2) 微波的传播有时依然会受到恶劣气候的影响。
(3) 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
(4) 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
(5) 方向性强，必须直线传播。
紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。
最高的一个频段中的T是Tremendously，目前尚无标准译名。在低频LF的下面其实还有几个更低的频段，如甚低频VLF、特低频ULF、超低频SLF和极低频ELF等，因不用于一般的通信，故未画在图中。
无线电信道的特性很大程度上取决于传播环境和传输距离。环境因素决定了路径损耗和遮蔽效应（信号传播一段距离并绕过 / 穿过障碍物时强度会降低），多径效应和干扰（由于其它传输和电磁信号）。
卫星通信是一种微波接力通信，最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。通信卫星链接两个或多个地面微波发射器 / 接收器，称为地面站。卫星在一个频带上接收传输信号，使用中继器再生信号，然后在另一频率上发射信号。
通信中使用两种类型的卫星：对地静止卫星和低地球轨道（LEO）卫星。对地静止卫星（同步卫星）永久停留在地球上的同一地点之上。将卫星放置在地球表面上方约36,000 km的同步轨道中，可以实现这种静止状态。从地面站到卫星再到地面站的巨大距离导致高达250到300 ms（一般可取270 ms）的信号延迟（时延，latency）。尽管如此，可在数百Mbps的速度下运行的卫星链路通常用于无法访问DSL或基于电缆的Internet的区域。
近地卫星离地更近。它们绕地旋转，可以彼此通信或与地面站通信。为了完全覆盖一个区域，需要将许多卫星置于轨道上。当前有许多低空通信系统正在开发中。LEO卫星技术将来可能会用于Internet访问（例如星链（StarLink））。
从20世纪90年代起，无线移动通信和互联网一样，得到了飞速的发展。与此同时，使用无线信道的计算机局域网也获得了越来越广泛的应用。我们知道，要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的（只要不干扰他人在这个频段中的通信），这正好满足计算机无线局域网的需求。
红外通信、激光通信也使用非导引型媒体。可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。
要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府的无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM（工业的、科学的、医学的）频段。ISM频段是由各國挪出某一段頻段主要開放給工业，科学和医学機構使用。应用这些频段无需许可证或費用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1 W），并且不要对其它频段造成干扰即可。各国的ISM标准有可能略有差别。如在美国有三个频段902-928 MHz、2400-2483.5 MHz及5725-5850 MHz，而在欧洲，900 MHz的频段则部分用于GSM（全球移动通信系统）通信。而2.4 GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网（IEEE 802.11b / 11g）、蓝牙、ZigBee等无线网络（见第7章），均可工作在2.4 GHz频段上。
链路中的电路可以通过频分复用（frequency-division multiplexing，FDM）或时分复用（time-division multiplexing，TDM）来实现，以减少所需的电路数量。FDM将频谱分为许多频段，分配到建立的连接中。每个连接专用一个频带。在电话网络中，此频带通常具有4 kHz的宽度。频带的宽度称为带宽（bandwidth）。FM广播使用FDM共享87.5 MHz至108 MHz之间的频谱（不同国家和地区可能有所不同），为每个电台分配一个特定的频带。对于TDM链路，时间维度分为固定时间长度的帧，每个帧分为固定数目的时隙（time slot）。建立连接时，网络会在每一帧为每个连接指定一个时隙。这些时隙为该连接唯一使用。
复用需要付出额外的成本：需要在发送端准备复用器（multiplexer）、在接收端准备分用器（demultiplexer）；共享信道由于带宽较大，因而费用也较高；但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。
如下图示例。对于FDM，频域被分为若干个频带，每个频带4 kHz（这是典型的电话通信需要的带宽，3.1 kHz为通信所用，两边预留了一定的频带作为保护）。对于TDM，时域被分为无数帧，每帧有四个时隙。每个电路在TDM帧中分配有相同的专用时隙。对TDM，电路的传输速率＝帧速率×时隙中的位数。例如，如果链路每秒传输8,000帧并且每个时隙由8位组成，则每个电路的传输速率为64 kbps（1000进制）。
与电路交换类似，使用时分复用进行通信时，也会存在闲置的问题。
统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，它能明显提高信道的利用率。集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。集中器用于将用户的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。
统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，对没有数据的缓存就跳过去。当一帧的数据放满了，就将其发送。因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙，可以提高线路的利用率。还可看出，在输出线路上，一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的和，但在一些特定场合，一段时间内的输入输出数据量是平衡的。假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存都将溢出。所以集中器能够正常工作的前提是：各用户都间歇地工作。
由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销。上图右侧的白色短时隙就刻画了这样的额外信息。
波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）就是光的频分复用。借助传统的频分复用，就能用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号，使光纤的传输能力成倍提高。光载波的频率很高，习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这就是波分复用一词的由来。最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。技术发展后，一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多。现在已能在一根光纤上复用至少几十路光载波信号。于是就有了密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）这一名词。
上图表示8路传输速率均为2.5 Gbps的光载波（波长均为1310nm）。经调制后，分别将波长变换到1550 ~ 1557 nm，每个光载波相隔1 nm。这里只是为了讲解方便，实际上密集波分复用的光载波的间隔一般为0.8或1.6 nm。这8个波长很接近的光载波经过光复用器（波分复用的复用器又称合波器）后，在一根光纤中传输。于是，单根光纤的总传输速率就达到20 Gbps。但光信号传输了一段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）。传统的光纤放大器先把光信号转换成电信号，经过电放大器放大后，再转换为光信号。EDFA直接对光信号放大，无需光电转换，并且在1550 nm波长附近有35 nm（即4.2 THz）频带范围提供较均匀的、可达40 ~ 50 dB的增益。两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120 km，而光复用器和光分用器（波分复用的分用器又称为分波器）之间的无光电转换的距离可达600 km（只需4个EDFA）。铺设地下光缆的耗资很大。人们总是在一根光缆中放入尽可能多的光纤（例如几百根），然后对每一根光纤使用DWDM技术。
码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是另一种共享信道的方法。更常见的是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access），每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此用户之间不会干扰。CDM最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似白噪声（White Noise，均匀噪声），不易被敌人发现。后来CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而已广泛使用在民用的移动通信中，特别是WLAN。CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量（是使用GSM的4 ~ 5倍），降低手机的平均发射功率，等等。下面简述其工作原理。
在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m的值是64或128。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列（chip sequence）。一个站如果要发送1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8 bit码片序列是00011011。当S发送1时，它就发送序列00011011；而当S发送0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。
假定S站要发送信息的数据率为b bps。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bps，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。扩频通信通常有两大类。一种是直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），如上面讲的使用码片序列就是这一类。另一种是跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）。第7章会再次提到FHSS。
CDMA系统的一个重要特点是：每一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（orthogonal）。数学公式能清楚地表示码片序列的这种正交关系。令向量S表示站S的码片向量，T表示其它任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0：
S∙T≡1/m ∑_(i=1)^m▒ S_i T_i=0
另外一点也很重要，即任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1：
S∙S=1/m ∑_(i=1)^m▒ S_i S_i=1/m ∑_(i=1)^m▒ S_i^2=1/m ∑_(i=1)^m▒ (±1)^2=1
而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是-1。这从上式可以很清楚地看出，因为求和的各项都变成了-1。
一个CDMA系统中，很多站都在相互通信；且所有的站发送的码片序列都是同步的：所有的码片序列都在同一时刻开始——利用全球定位系统GPS就不难做到这点；再假设各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系。
设X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站特有的码片序列。X站使用已知的码片向量S与接收到的未知信号求内积。因为任何两个站的码片序列都正交，所以其它站的信号都被过滤掉（内积为0），而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1；当S站发送比特0时，内积的结果是-1。
我国的ADSL采用离散多音调（Discrete Multi-Tone，DMT）调制。“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40 kHz以上一直到1.1 MHz的高端频谱划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道，并使用不同的载波（音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。可见ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。因此电信局需要定期检查用户线的质量，以保证能够提供向用户承诺的最高的ADSL数据率。
现在，信号在陆地上的长距离传输，基本已经实现了光纤化。在前面介绍的ADSL和HFC宽带接入方式中，用于远距离的传输媒体也早都使用了光缆，只是到了临近用户家庭的地方才转为铜缆（电话的用户线和同轴电缆）。我们知道，一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网，使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。
脉冲编码调制（pulse code modulation，PCM）用于将模拟信号变为数字信号。计算机是不能处理模拟信号的，必须用数字信号去近似将模拟信号记录以后，信号才能被计算机识别并处理。
根据Nyquist准则，若要记录到频率为f的信号，则采样频率（sampling rate）不能低于2f。上图为PCM的示意图，横轴的每个点都是采样点。
每个点采样的结果一般都位于振幅的最大值和最小值之间的某个值。要完全精确的记录这个值是不可能的，只能近似记录，这个过程称为对采样值的量化（quantization）。在上图的例子中，我们可以看到，信号在各个时刻的振幅被量化为16个不同的值，我们说量化位数是4-bit，量化等级为16。
CD的量化位数为16-bit，采样率为44.1 kHz，因此CD音轨最大能记录到22.05 kHz的声音信号。当然，这些信号的波形多少都是有畸变的，这是采样和量化不可避免的影响。
一张CD有2个声道，因此比特率为2×16 bit×44.1 kHz = 1411.2 kbps（1000进制）。一张80分钟的CD唱片的数据量为1411.2 kbps×80 min≈807.5 MB。我们知道，一张80分钟的CD在刻录一般的数据的时候，容量约为703 MB。这是因为记录数字音乐的Audio CD和一般的数据光盘的格式是不同的。记录音频时，CD被写入了更多的数据。
CD的直径 音乐容量 数据容量（约）
8 cm 24 min 210 MB
12 cm 80 min 700 MB
12 cm 90 min 790 MB
12 cm 99 min 870 MB
DVD-Audio则可以记录更高品质的音乐。记录与CD相同规格的音乐的时候，DVD-Audio能记录更长的时间。
量化位数还与信噪比有关。在量化过程中，模拟信号需要经过舍入，来匹配特定的量化等级下每个可以表示的信号强度值。这种舍入就会带来噪声，并且它是非线性的，与具体的信号有关系。
CD的量化位数是16-bit，也就是说可以表示216 = 65536种不同的振幅。因此CD音乐的理论最大信噪比为
20 lg65536≈96.3 dB
显然，当输入信号的强度达到输入设备可以记录的最大值，并且量化噪声的振幅为可以记录的最小值，且环境噪声不大于量化噪声时，音频文件可以达到其理论的信噪比。
DVD-Audio最大可以采用24-bit的量化位数，因此DVD-Audio音乐的理论最大信噪比为
20 lg16777216≈144.5 dB
同时，这些结果也是相应的音乐格式能够记录的动态范围（dynamic range，DR），即信号的最大值与最小值之比。