3 数据通信技术基础
3.1数据通信基本知识
3.1.1 信息、数据和信号
数据是传送信息的实体。信号是数据的电气或者电磁的表现。数据和信号都能用"模拟的""数字的"来修饰：（1）连续变化的数据 或信号称为模拟数据或模拟信号，如声音和压力数据；（2）取值仅为几个离散数值的数据或者信号称为数字数据或者数字信号，如， 文字与二进制数据。
目前常用的数据编码系统主要有三种：CCITT的国际5单位字符编码、扩充的二-十进制交换码（EBCDIC）、美国信息交换标准码应用 （ASCII）。ASCII码是目前应用最多的信息交换编码。
3.1.2 通信的基本要求
通信双方完成一次通信需要满足三个条件：一是双方有通信的愿望；二是双方之间有信息传递的信道；三是通信双方要遵守通信 的协议与约定。
按信道中传输的是数字信号还是模拟信号分为数字信道和模拟信道。
信道建立在传输介质之上，包括传输介质、通信设备和传输技术。信道表示信号的通路，一般是用来向某一个方向传输信息，一 条通信线路一般包含一条发送信道和一条接收信道。信道与传输介质也有区别，传输介质是连接两个或多个物理结点的物理传输线 路，如双绞线、同轴电缆、光纤。
信道又有逻辑信道与物理信道之分。物理信道是用来传输信号的实际物理通路，由传输介质和通信设备组成。逻辑信道是为了实 现有效可靠通信，在物理信道上建立的一条数据传输通路。
3.1.3 数据通信传输系统模型
一个数字通信系统由源系统、传输系统、目的系统组成。源系统由信源和变换器组成，信源的作用是把要传输的各种信息转化为 原始电信号，变换器的作用是把原始电信号转化为适合在信道上传输的信号。传输系统是传输信号的通路，常用的传输设备有交换机 和路由器。目的系统由反变换器和信宿组成，反变换器将信号恢复成原始电信号，再由信宿转化成各种适用的信息。
信道传输时会受到各种各样的干扰，这些干扰称为噪声，噪声分为内部噪声和外部噪声，内部噪声是分子热运动造成的，外部噪 声为来自信道外部的干扰。
3.1.4信道的最大容量
几个重要概念：
码元是一个固定时长的信号波形（数字脉冲），表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字 信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。
波特率指的是信号每秒钟电平变化的次数，单位是Hz：比如一个信号在一秒钟内电平发生了365次变化，那么这个信号的 波特率就是365Hz。
比特率是信号每秒钟传输的数据的位数，我们知道在计算机中，数据都是用0，1表示的，所以比特率也就是每秒钟传输0 和1的个数，单位是bps。
带宽和容量 一般信道都有一个最高的信号频率（注意不是波特率哦，频率是指每秒钟的周期数，而每个周期都会有几 次电平变化。。恩，看到区别了吧）和最低的信号频率，只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道，这两个频率的差 值就叫做这个信道的带宽，单位是Hz。数据在信道中传输会有他们的速度——比特率，这里面最高的比特率就叫做这个信道 的容量，单位是bps。就好象每条公路都有他们的最高限速，那么所有在里面开的车都不会超过这个速度。
一般的，bit rate = buad rate × log2L，这里L就是信号电平的个数。
奈奎斯特定理
Cmax=2×W×log2L
这里Cmax指的是信道的最大容量，W是信道的带宽，L还是信号电平的个数
奈奎斯特定理适用的情况是无噪声信道，用来计算理论值。
香农定理
Cmax=W×log2（1+（S/N））
S/N指的是信道的信噪比，但是我们一般测量出来的以db为单位的是经过10×log10（S/N）换算的，所以这里还要换算回 来才行。
此外，关于香农定理还有如下的要点：
-
-
- 信噪比越大，信道的极限传输速率就越高
- 一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
- 只要信道的传输速率低于极限传输速率，就一定还有进步的空间，就一定能找到某种方法实现无差错的传输
- 实际传输速率比香农定理计算得出的传输速率要低不少。
-
此外两个定理的使用场景这样概括，无噪声直接用奈奎斯特。
有噪声，如果可以计算奈奎斯特，即给的条件有V，那么也要计算出来，和香农定理做比较。取最小值。
（转自https://blog.csdn.net/u011240016/article/details/53334064）
3.1.5 基带传输和频带传输
1）基带传输：数据通信中，二进制比特序列数字信号是矩形脉冲信号，人们把基本频率分量对应的矩形脉冲信号称为基本 频带，对应的矩形脉冲信号称为基带信号。基带传输就是在数字信道上直接传输基带信号。计算机设备 输出的信号直接放 在传输介质上传输称为基带传输。
2）频带传输：频带传输是利用模拟信道传输数据信号。由于基带传输收到传输距离的限制，远距离传输时均采用频带传 输。频带信号是将基带信号调制以后形成频分复用模拟信号，调制后将每一路基带信号的频谱搬移到不同的频段，实现频 分复用。
3.1.6 通信双方的交互方向
根据通信过程中信号的传输方向，通信双方的交互方向有3种：单向通信、双向交替通信、双向同时通信。分别对应以前的 单工、半双工、全双工。
3.1.7 计算机网络中的时延计算
时延：是指数据（或者报文或分组）从网络一端传送到另一端所需要的总时间，由四部分构成：发送时延、传播时延、处理 时延、排队时延。
发送时延：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间，也称为传输时延。
计算公式如下：
发送时延=分组长度/信道长度
传播时延：一个比特从一端到另一端传播所需的时间。
计算公式如下：
传播时延=信道长度/电磁波在信道上传播速率
处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一系列必要处理所花费的时间。
排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队，在路由器确定了转发端口后，还要在输出队列中排队。
时延带宽积：在第一个比特即将到达终点时，表示发送端已经发出的比特数。即：时延带宽积=传播时延*信道带宽
往返时延：表示从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认，总共经历的时延。
吞吐量：表示单位时间内通过某网络的数据量，收到网络带宽和网络的额定速率的限制。
速率：指连接在网络中的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率或比特率，单位b/s。
3.1.8 同步传输和异步传输
在计算机网络中，数据传输分为并行和串行。并行一次传输若干二进制位，需要多根信号线。串行传输是在一根信号线上 连续传输二进制位。在计算机网络和通信网络中一般采用串行传输。
串行传输中又分为同步传输和异步传输。现在主要采用同步传输。
1）异步传输：
一次传输一个字符，字符间有不确定间隔，每个字符由一位二进制位作为起始标志，起始位为0，字符由5~8位二进制组 成，可以包括一位奇偶校验位。
2）同步传输：
同步传输是一次传送一个数据块，数据块内容可以是若干二进制位，也可以是若干字符。同步传输的特征是数据块中每 一位与前一位之间的传输时间是确定的，这称为同步传输的主要原因。同步传输的数据块为帧。
3.2 传输介质
3.2.1 传输介质的分类
传输介质可分为有线传输介质（导向传输媒体）和无线传输介质（非导向传输媒体）。
有线传输介质中，电信号的传播速度是光速的2/3,即20万km/s。在无线传输介质中，电信号传播速度等于光速，即30万km/s。
3.2.2 有线传输介质
1.双绞线
是最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合、相互绝缘的铜导线组成。为了进一步提到抗电磁干扰性，可在双绞线 外加上一层由金属网编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就被称为非屏蔽双绞线（UTP）。
双绞线价格便宜，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。模拟信号和数字信号传输 都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。对于远距离传输，模拟信号要用放大器放大衰减信号，数字信号要用中 继器将失真的信号整形。
2.同轴电缆
同轴电缆由导体铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外壳构成。按特性阻抗数值不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω 同轴电缆和75Ω同轴电缆。50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字型号，又称为基带同轴电缆，在局域网中广泛应用。75Ω同轴电缆 主要用于传送宽带信号，又称宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统。
同轴电缆具有良好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速的数据，其传输距离更远，但价格比双绞线更贵。
3.光纤
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。光纤主要由纤芯和包层构成，广播通过 纤芯传导，包层较纤芯有较低的折射率。
单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于 远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模 光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。
多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字 信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。
单模与多模的区别
它的实现原理，是在m个数据位之外加上k个校验位，从而形成一个m+k位的新的码字，使新的码字的码距比较均匀地拉大。把 数据的每一个二进制位分配在几个不同的偶校验位的组合中，当某一位出错后，就会引起相关的几个校验位的值发生变化，这不但 可以发现出错，还能指出是哪一位出错，为进一步自动纠错提供了依据。
须知：
（1）海明校验码是放在2的幂次位上的，即“1,2,4,8,16,32······”；
（2）信息位为m的原始数据，需要加入k位的校验码，它满足m+k+1<2^k；
关于海明校验码的计算可以参考：
https://www.cnblogs.com/VersionP1/p/7779251.html#3
3.6.4 循环冗余校验编码
CRC检验原理实际上就是在一个p位二进制数据序列之后附加一个r位二进制检验码(序列)，从而构成一个总长为n＝p＋r位的二进制 序列；附加在数据序列之后的这个检验码与数据序列的内容之间存在着某种特定的关系。如果因干扰等原因使数据序列中的某一位或某 些位发生错误，这种特定关系就会被破坏。因此，通过检查这一关系，就可以实现对数据正确性的检验。
2、多项式模2运行：实际上是按位异或(Exclusive OR)运算，即相同为0，相异为1，也就是不考虑进位、借位的二进制加减运 算。如：10011011 + 11001010 = 01010001。
3、生成多项式（generator polynomial）：当进行CRC检验时，发送方与接收方需要事先约定一个除数，即生成多项式，一般 记作G（x）。生成多项式的最高位与最低位必须是1。常用的CRC码的生成多项式有：
CRC8=X8+X5+X4+1
CRC-CCITT=X16+X12+X5+1
CRC16=X16+X15+X5+1
CRC12=X12+X11+X3+X2+1
CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1
每一个生成多项式都可以与一个代码相对应，如CRC8对应代码：100110001。
设信息字段为K位，校验字段为R位，则码字长度为N(N=K+R)。设双方事先约定了一个R次多项式g(x)，则CRC码：
(x)=A(x)g(x)=xRm(x)+r(x)
其中: m(x)为K次信息多项式，r(x)为R-1次校验多项式。
这里r(x)对应的代码即为冗余码，加在原信息字段后即形成CRC码。
r(x)的计算方法为：在K位信息字段的后面添加R个0，再除以g(x)对应的代码序列，得到的余数即为r(x)对应的代码(应为R－1 位，若不足，而在高位补0)。