• 通信的目的是传送消息(message)，如语音、文字、图像、视频等
• 数据(data) 是运送消息的实体
  • 根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的消息，通常是有意义的符号序列
• 信号(signal) 是数据电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式
  • 根据信号中代表消息的参数的取指方式不同，信号分为
    • 模拟信号，又称连续信号。代表消息的参数的取值是连续的
    • 数字信号，又称离散信号。代表消息的参数的取值是离散的
• 码元
  • 课本释义：在使用时间域（或简称为时域）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
  • 资料书释义：码元是指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，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，该时长称为码元宽度
  • 一码元可以携带若干比特的信息。如在使用二进制码元时，只有两种不同的码元：一种表示0，另一种表示1状态

• 信源：产生和发送数据的源头
• 信道：信号的传输媒介
  • 信道与电路并不等同，一条信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此，一条通信线路通常包含一条发送信道和一条接收信道
  • 按传输信号形式的不同，信道分为传输模拟信号的模拟信道，和传输数字信号的数字信道
  • 按传输介质的不同，可分为有线信道和无线信道
• 信宿：接收数据的终点

• 单工通信
  • 只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互
  • 只需要一条信道即可
  • 例如：无线电广播或有线电广播
• 半双工通信
  • 通信的双方都可发送消息，但不能双方同时发送(也不能同时接收)
  • 这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以反过来
  • 需要两条信道
• 全双工通信
  • 通信的双方可以同时发送和接收信息
  • 需要两条信道

• 速率
  • 也称数据率、是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量
  • 可用码元传输速率和信息传输速率表示
    • 码元传输速率：
      • 又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特 Baud
      • 1波特表示数字通信系统单位时间内传输一个码元，码元速率与进制数无关
    • 信息传输速率
      • 又称信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数，即比特数，单位b/s
• 带宽：表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位b/s

• 把数据变换为模拟信号的过程称为调制
• 把数据变换为数字信号的过程称为编码

• 数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号
• 具体用什么样的数字信号表示0和1就是所谓的编码
• 常用的数据编码
  • 

• 用高电平代表1、低电平代表0（或者相反）
• 每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制
• 归零要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响

• 不用归零，一个周期全部用来传输数据
• 但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线

• 与非归零编码的区别是，用信号的翻转代表0、用信号保持不变代表1
• 翻转的信号本身可以作为一种通知机制
• 这种编码方式，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽
• USB 2.0通信的编码方式就是NRZI编码

• 位周期中心的向上跳变表示0，位周期中心的向下跳变表示1。也可以反过来定义
• 位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占用的频带宽度是原始基带宽度的两倍（用 高 → 低 / 低 → 高 高\rightarrow 低/低\rightarrow 高 高→低/低→高两个信道信号表示0/1，而非归零编码仅需用高电平表示1、低电平表示0）
• 以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码

• 每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
• 可以实现自同步，且抗干扰性较好
• 差分曼彻斯特编码常用于局域网传输

• 将要发送的数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换为相应的5位码
• 5位码共有32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留

• 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，在接收端将模拟信号还原为数字信号。分别对应于调制解调器的调制和解调过程

• 基本的数字调制方法

  • 幅移键控(ASK)
    • 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不变。也就是所谓的调幅
    • 较容易实现，但抗干扰能力差
  • 频移键控(FSK)
    • 通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不变。也就是所谓的调频
    • 容易实现，抗干扰能力强，目前应用广泛
  • 相移键控(PSK)
    • 通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不变。也就是所谓的调相
    • 又分为绝对调相和相对调相
  • 正交振幅调制(QAM)
    • 在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合，形成叠加信号
    • 设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n中振幅，则该QAM技术的数据传输率R为： R = B log ⁡ 2 ( m n )    ( 单位 b / s ) R=B\log_2{(mn)}\ \ (单位b/s) R=Blog2​(mn)  (单位b/s)

• 这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），主要包括三个步骤：采样、量化、编码

• 采样定理又称奈奎斯特定理
• 在通信领域，带宽指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz
• 将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中最大频率为 f f f，那么采样频率 f 采样 f_{采样} f采样​必须大于等于最大频率的两倍（即 f 采样 ≥ 2 f f_{采样}\ge 2f f采样​≥2f），才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息

• 采样
  • 是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
  • 根据采样定理，当采样频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真的代表被采样的模拟数据
• 量化
  • 把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数
  • 即把连续的电平幅值转换为离散的数字量
  • 采样和量化的本质就是分割和转换
• 编码
  • 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

• 为实现传输的有效性，可能需要较高的频率
• 这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源
• 电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的

• 信道的极限容量
  • 实际的信道是不理想的
  • 数字通信的好处，就是虽然信号在信道上传输时可能产生失真，但在接收端只要能够识别出原来的信号，那么这种失真就对通信质量没有影响。但有时失真太严重，在在接收端无法识别出原来的信号
• 限制码元在信道上传输速率的两个因素
  • 信道能够通过的频率范围
  • 信噪比

• 具体的信道所能通过的频率范围是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，它们在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰

• 奈氏准则给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
• 规定：
  • 在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W表示理想低通信道的带宽
  • 用V表示每个码元离散电平的数目（指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4个二进制位，因此数据传输速率就是码元传输速率的4倍）
  • 则极限数据率为 理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2 W log ⁡ 2 V    ( 单位 b / s ) 理想低通信道下的极限数据传输速率= 2W\log_2{V}\ \ (单位b/s) 理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2​V  (单位b/s)
• 结论
  • 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰
  • 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
  • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制
• 由于码元传输速率受奈氏准则的限制，所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法

• 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比
• 记为 S / N S/N S/N，用分贝（dB）作为度量单位
• 信噪比 ( d B ) = 10   log ⁡ 10 ( S / N ) ( d B ) 信噪比(dB)=10\ \log_{10}{(S/N)}(dB) 信噪比(dB)=10 log10​(S/N)(dB)
• 例如，当 S / N = 10 S/N=10 S/N=10是，信噪比=10dB； 当 S / N = 1000 S/N=1000 S/N=1000时，信噪比=30dB

• 香农定理给出了带宽受限、有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以保证不产生误差
• 香农公式
  • 信道的极限数据传输速率 = W log ⁡ 2 ( 1 + S / N ) ( 单位 b / s ) 信道的极限数据传输速率=W\log_2{(1+S/N)}(单位b/s) 信道的极限数据传输速率=Wlog2​(1+S/N)(单位b/s)
  • W是信道的带宽；S为信道所传输信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率
• 结论
  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
  • 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
  • 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种无差错的传输
  • 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

• 奈奎斯特定理只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，还考虑了信噪比。这也从侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

• 电路交换方式，在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)，该路径可能经过许多中间结点
• 这条路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。即在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽
• 电路交换分为：连接建立、数据传输、连接释放
• 从通信资源分配的角度看，“交换”就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源
• 注：电路建立后，除源结点和目的结点之外，电路上任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间

• 通信时延小：通信线路被通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。尤其是当传输较大的数据量时，这一优点非常明显
• 有序传输：双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题
• 没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题
• 适用范围广：既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号
• 实时性强：通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信
• 控制简单：电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单

• 建立连接时间长：电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长
• 线路独占，使用效率低：连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲也不能供其他用户使用，因此信道利用率低
• 灵活性差：只要在通信双方建立的通路中出现了一点故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对紧急和重要的通信十分不利
• 难以规格化：电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制

• 数据交换的单位是报文，报文含有目标地址、源地址等信息。
• 报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式
• 报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较为先进的分组交换替代

• 无须建立连接：通信前无须为通信双方建立专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可随时发送报文
• 动态分配线路：当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
• 提高线路可靠性：若某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的 可靠性
• 提高线路利用率：通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，大大提高了通信线路的利用率
• 提供多目标服务：一个报文可同时发送给多个目的地址

• 存在转发时延：由于数据进入交换点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）
• 对报文的大小没有限制，这就要求网络结点有较大的缓存空间

• 分组交换也采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题
• 分组交换限制了每次传输的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（packet）

• 无建立时延：通信前无须为通信双方建立专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可随时发送分组
• 线路利用率高：通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，大大提高了通信线路的利用率
• 简化了存储管理(相对于报文交换)：分组的长度固定，因此相应的缓冲区大小固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易
• 加速传输：分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作和前一个分组的转发操作并行（流水线方式）。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一次报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的概率及时间也必然少的多
• 减少了出错的概率和重发数据量：因为分组较短，其出错概率必然减小，所以每次重发的数据量也就大大减小，这样不但提高了可靠性，也提高了传输时延

• 存在传输时延：尽管分组交换比报文交换的传输时延小，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力
• 需要传输额外的信息量：每个小数据块都要加上相应的控制信息，使得传送的信息量增大了5%~10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加
• 当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按其编号进行排序等工作，因此很麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

• 要传送的数据量较大且传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适
• 端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适
• 从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换。其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式数据通信

• 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
• 这两种服务方式均有网络层提供
• 注意，数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式

• 作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把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控制信息后形成数据报分组(即网络层的PDU)
• 中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳路由后，尽快转发每个分组，不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序找到目的结点

• 假设主机A向主机B发送分组
  • 主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A，交换结点A缓存收到的分组
  • 交换结点A查找字节的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，因此转发表的内容可能不完全相同，所以有的分组转发给交换结点C，有的转发给交换结点D
  • 网络中的其他结点收到分组后，类似的转发分组，直到分组到达主机B
• 当分组正在某一链路上传送时，分组并不占用网络的其他部分资源
• 采用存储转发技术，资源是共享的，所以主机A在发送分组时，主机B也可同时向其他主机发送分组

• 发送分组前无需建立连接。发送方可随时发送分组，接收方也可随时接收分组
• 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；为每个分组独立选择路由，转发是路径可能不同，因此分组不一定按序到达目的结点
• 发送的分组中要含有发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输
• 分组在交换结点存储转发时，要排队等候处理，这会带来一定的时延。通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组
• 网络具有冗余路径，但某个交换结点或一条链路出现故障时，可相应的更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应性强
• 存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量
• 收发双发不独占某条链路，资源利用率高

• 在发送分组之前，要求在发送方和接收方之间建立一条逻辑上相连的虚电路，且一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径
• 通信过程分为三阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放
• 端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以便和系统中的其他虚电路区分开来
• 传输数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组
• 虚电路网络中的每个结点都要维持一张虚电路表，表中每项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的

• 主机A与主机B之间先建立一条逻辑通路，主机A发出一个特殊的“呼叫请求”分组（虚呼叫），该分组通过中间结点送往主机B。若主机B同意连接，则发送“呼叫应答”分组予以确认
• 虚电路建立后，A可向B发送数据分组，B也可以在该虚电路上向A发送数据分组
• 传送结束后，A通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接

• 虚电路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费。但对长时间、频繁的数据交换效率更高
• 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径
• 虚电路提供了可靠的通信，能保证每个分组正确且有序的到达。此外，还可以对两个数据端点的数据流量进行控制
• 当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
• 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小

• 虚电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个结点之间建立虚电路
• 每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同，也可能不同
• 虚电路不只是临时性的，它提供的服务包括永久性虚电路(PVC) 和交换型虚电路(SVC)
  • 永久性虚电路 PVC：是一种提前定义好的、基本不需要任何建立时间的断点之间的连接
  • 交换型虚电路 SVC：是端点之间的一种临时性连接，这些连接只持续所需的时间，并在会话结束时就取消这种连接

（ P 42   9 P_{42}\ 9 P42​ 9）测得一个以太网的数据波特率是40MBaud，那么其数据率是（） A. 10Mb/s B. 20Mb/s C. 40Mb/s D. 80Mb/s 解答：因为以太网采用曼彻斯特编码，每位数据（一个比特，对应信息传输速率）都需要两个电平（两个脉冲信号，对应码元传输速率）来表示，因此波特率是数据率的两倍，所以数据率为(40Mb/s)/2 = 20Mb/s。选B 注意：对于曼彻斯特编码，每个比特需要两个信号周期，20MBaud的信号率可得10Mb/s的数据率，编码效率为50%；对于4B/5B编码，每4比特组被编码为5比特，12.5MBaud的信号率可得10Mb/s，编码效率是80% 错误原因：错选C

（ P 42   10 P_{42}\ 10 P42​ 10）某信道的波特率为1000Baud，若令其数据传输速率达到4kb/s，则一个信号码元所取的有效离散数值的个数是（） A. 2 B. 4 C.8 D. 16 解答：

• 若一个码元含有k比特的信息量，则表示该码元所需要的不同离散值为 n = 2 k n=2^k n=2k个， 比特率 = 波特率 × log ⁡ 2 n 比特率=波特率\times \log_2n 比特率=波特率×log2​n。
• 数值上，波特率=比特率/每码元所含比特数，因此每个码元所含比特数=4000/1000=4比特，有效离散值的个数为 2 4 = 16 2^4=16 24=16 错误原因：错选B

（ P 42   12 P_{42}\ 12 P42​ 12）有一条无噪声的8kHz的信道，每个信号包含8级，每秒采样24k次，则可以获得的最大传输速率是（） A. 24kb/s B. 32kb/s C. 48kb/s D. 72kb/s 解答：无噪声的信道应满足奈奎斯特定理， 最大数据传输速率 = 2 W log ⁡ 2 V 比特 / 秒 最大数据传输速率=2W\log_2V比特/秒 最大数据传输速率=2Wlog2​V比特/秒，因此可得答案：选C。注意题目中的24kHz是无意义的，因为超过了波特率的上限2W=16kBaud 关于信号的级数：用在Nyquist定理中： C = 2W* log2 M C = 数据传输率，单位bps W = 带宽，单位Hz M = 信号编码级数 比如把码元分成多少个不同等级就是多大的编码级数。 来源：什么是信号编码级数？那位大虾告知一下，在线等！_百度知道 (baidu.com)

（ P 42   14 P_{42}\ 14 P<