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2.1-5 编码与调制（1）
一、基带信号与宽带信号
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
信道分类：
（1）传输信号：模拟信道（传送模拟信号），数字信道（传送数字信号）
（2）传输介质：无线信道，有线信道
信道上传送的信号分类：
（1）基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
（2）宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信道内容不易发生变化）
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）
二、编码与调制
把数据转成数字信号用的是编码手段；
把数据转成模拟信号用的是调制手段；
把数字数据转成数字信号用的是编码手段，通过的设备是数字发送器；
把数字数据转成模拟信号用的是调制手段，通过的设备是调制器；
把模拟数据转成数字信号用的是编码手段，通过的设备是PCM编码器；
把模拟数据转成模拟信号用的是调制手段，通过的设备是放大调制器；
2.1-6 编码和调制（2）
一、数字数据编码为数字信号
1. 非归零编码（NRZ）
高1低0。编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。还需要再来一个新的信道来保存周期信息。
2. 曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔，前高后低码元1，前低后高码元0，也可以采用相反的规定。
该编码特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。
每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制数据的1/2。
3. 差分曼彻斯特编码
同1异0。常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。
该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
4. 归零编码（RZ）
信号电平在一个码元之内都要恢复到零。处于低电平状态多且久，不推荐使用。
5. 反向不归零编码（NRZI）
信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。全0好接收，但是全1的不好接收。
6. 4B/5B编码
比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
只采用16种对应16种不同的4位码，其他的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。
?二、数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换成模拟信号，而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。
幅移键控法（Amplitude Shift Keying,ASK)，也叫幅度调制，简称调幅，是通过改变载波信号的振幅大小来表示数字信号“1”和“0“的方法。
调幅 + 调相 = 正交振幅调制QAM
?Question：
某通信链路的波特率1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传送速率是多少？
Answer：
4×4=16种波形，对应16种码元，1个码元用4比特数据表示，1200Baud的信息传送速率为4800b/s
1200 ×?? = 4800b/s
三、模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。
1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样，
定理进行采样：f采样频率 >= 2f信号最高频率
2. 量化：把抽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，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
?四、模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。
在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。
?总结：
2.1-7 数据交换方式
一、为什么要数据交换
解决信息交换问题。
?二、数据交换方式
电路交换
报文交换（存储转发交换方式）
分组交换（存储转发交换方式），分为数据报方式、虚电路方式
三、电路交换（Circuit Exchanging）
电路交换的原理：
在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
?电路交换的阶段：
建立连接（呼叫/电路建立）→通信（数据传输）→释放连接（拆除电路）
特点：
独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。
四、电路交换优缺点
?五、报文交换
报文：
报文（message）是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。
报文交换的原理：
无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传输过程采用存储转发方式。
?六、报文交换的优缺点
?七、分组交换（Packet Exchanging）
分组：
大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组（packet）。
分组交换的原理：
分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送结点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接受结点将收到的分组组装成信息或报文。
?八、分组交换的优缺点
?九、数据交换方式的选择
1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路由很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，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的数据通信。
十、分组交换——数据报方式
1. 源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A）。
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同。
3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本。
4. 所有分组到达主机B
十一、分组交换——数据报方式的特点
1. 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
2. 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失。
3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号。
4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当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。
5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信。
* 无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。
十二、分组交换——虚电路
?虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。
虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项纪录了一个打开的虚电路信息。
（1）建立连接（虚电路建立）：源主机发送“呼叫请求”分组并收到“呼叫应答”分组后才算建立连接。
（2）数据传输：每个分组携带虚电路号、分组号、检验和控制信息。
（3）释放连接（虚电路释放）：源主机发送“释放请求”分组以拆除虚电路。
十三、虚电路方式的特点
1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需要携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
3. 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只进行差错检测，不需进行路由选择。
4. 每个结点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
5. 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或链路的虚电路将遭到破坏。
* 连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。
十四、数据报与虚电路的对比
2.2-1 物理层传输介质
一、传输介质及分类
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传输的比特流。
传输介质分类：
（1）导向性传输介质：电磁波被导向沿着传输媒介（铜线/光纤）传播。
（2）非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。
二、导向性传输介质——1.双绞线
双绞线是古老、又常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
为了进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽层双绞线（UTP）。
?双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字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。
距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；
对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
三、导向性传输介质——2.同轴电缆
同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外套构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。
其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
?同轴电缆与双绞线的区别：
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛应用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格双绞线更贵。
四、导向性传输介质——光纤
光纤与双绞线、同轴电缆不一样的点：
光纤传递的光脉冲；
双绞线、同轴电缆传递的电脉冲；
光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端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。
光纤主要由纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，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，即光线碰到包层的时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
超低损耗，传送超远距离。
?射入多条光线得到的是“多模光纤”。
（1）多模光纤：适合近距离传输；
（2）单模光纤：把光纤的直径减小到只有一个光的波长，沿直线传播；
?
?光纤的特点：
1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。
五、非导向性传输介质
1. 无线电波
信号向所有方向传播；有较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。
2. 微波
信号向固定方向传播；微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。
（1）地面微波接力通信：中继站进行转发接力；
（2）卫星通信：
优点：①通信容量大；②距离远；③覆盖广；④广播通信和多址通信；
缺点：①传播时延长（250-270ms）；②受气候影响大（强风太阳黑子爆发、日凌）；③误码率较高；④成本高；
3.红外线、激光
信号向固定方向传播；
把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。
总结：
2.3-1 物理层设备
一、中继器
诞生原因：
由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能：
对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络长度。
中继器的两端：
（1）两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
（2）中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
（3）两端可连相同媒体，也可连不同媒体。（媒体是指的上一节的传输介质）
（4）中继器两端的网段一定要是同一个协议。
5-4-3规则：
网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
中继器的使用是有限制的，在我们通用的十兆以太网中，用的5-4-3规则，
5是指的最多不超过5个网段（每个中继器连接两个网段）；
4是指最多只能有4个物理层的网络设备（中继器或集线器）；
3是指只有三个段可以挂接计算机；
?二、集线器（多端口中继器）
功能与中继器相同，都是再生、放大信号。
集线器的功能：
对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入输出口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。（广播）
集线器不能分割冲突域（如果一台集线器连接的主机比较多，而其他的主机都要同时通信，这样就会导致它们发生信息的碰撞，只要发生碰撞就要再等一个随机时间再去发送数据，所以就会使集线器工作效率非常地低），（如果各主机之间想同时通信）连在集线器上的工作主机平分带宽。
