通信基础
一、机械特性、电气特性、功能特性、过程特性
物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）
机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
过程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
二、数据、信号、码元
连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）
取值仅允许为有限几个离散数值的数据（或信号）称为数字数据（或数据信号）
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），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。
????1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它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每秒传输一个码元。
数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关。
信息传输速率：别名信息速率、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），单位是比特/秒（b/s）。
????????若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。
三、信源、信道、信宿
通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）。
数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
????数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。
????模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点 。
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。
四、三种通信方式
1.单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
2.半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
3.全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
五、数据传输方式：
1.串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。
速度慢，费用低，适合远距离
???????????计算机网络中数据在数据链路中是串行传输
2.并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。
速度快，费用高，适合近距离
???????????用于计算机内部数据传输，例：CPU与内存间并行传输
同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
六、奈氏准则（奈奎斯特定理）、香农定理
信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差。
码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
奈氏准则（奈奎斯特定理）
香农定理
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率
常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位
七、数字数据编码为数字信号、数字数据调制为模拟信号
数字数据编码为数字信号
（1）归零编码【RZ】
（2）非归零编码【NRZ】
（3）反向不归零编码【NRZI】
（4）曼彻斯特编码
（5）差分曼彻斯特编码
（6）4B/5B编码
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。
采样定理：f采样频率 ≥ 2f信号最高频率
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为模拟信号，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。
?????使用频分复用技术可以实现传输的有效性，可能需要较高的频率，充分利用带宽资源。
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。
八、电路交换、报文交换、分组交换
电路交换
步骤：
1）建立连接（呼叫/电路建立）——分配通信资源
2)通信（数据传输）——一直占用通信资源
3）释放连接（拆除电路）——归还通信资源
优点：
- 传输时延小
- 数据顺序传送，无失序问题
- 实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信。
- 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道
- 适用于模拟信号和数字信号
- 控制简单，电路的交换设备及控制较简单
缺点：
- 建立连接时间长
- 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低。
- 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信。
- 无数据存储能力，难以平滑通信量。
- 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.
- 无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制。
报文交换
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，传送过程采用存储转发方式。
优点：
- 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文。
- 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。
- 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输。
- 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道。
- 提供多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址。
- 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信。
缺点： - 实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延。
- 只适用于数字信号。
- 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。
分组交换
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）。
优点：
- 无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组。
- 线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道。
- 简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，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，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作；传输一个分组比一份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间。
- 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延。
- 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。
缺点： - 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但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。
- 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间。
- 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。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。
总：
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.当端到端的通路有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。
九、数据报、虚电路
