基本概念
- 数据：传送信息的实体
- 信号：数据的电气和电磁表现
- 码元：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，称为k进制码元。
连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）
离散数值表示的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号）
- 串行传输：每比特按时间顺序传输
- 并行传输：若干比特通过多条通信信道同时传输
远距离通常串行传输。
串行传输速度慢、费用低、适用远距离。
并行传输速度快、费用高、适用近距离。
- 同步传输：数据以区块为单位，因此又称区块传输，在传输数据时需要先送出一个或多个同步字符，在送出数据
- 异步传输：将比特分成组传输（8位以上），发送方可在任何时刻发送比特组，接收方收到起始位时开始接收数据，收到终止位时停止接收数据
奈奎斯特定理
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（波特率）B=2W波特，其中W是理想低通信道的带宽。
若V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元）
理想低通信道下的极限数据传输速率 = Blog2V = 2Wlog2V 单位(b/s)
结论：
- 任何信道中，码元传输速率都是有上限的，超出上限会导致码间串扰。
- 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率来进行码元的有效传输。
- 奈氏准则只给出了码元传输速率的限制，并未给出信息传输速率的限制（即没有对一个码元可以携带多少bit做出限制）
所以，为了提高数据传输速率，在码元传输速率已经到达上限的情况下，就要设法让一个码元携带更多的bit，即多元制的调制方法。
香农定理
在奈奎斯特定理基础上，给出了受高斯白噪声干扰的信道的极限传输速率。
信道的极限传输速率 = Wlog2(1+S/N) 单位(b/s)
其中 S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。
信噪比确定的话，码元种类的最大值也就确定了 V = √1 + S/N (将V代入到奈奎斯特定理中就能得到香农定理)
说明，在信道带宽（W）受限的条件下，码元的传输速率是有上限的（为2W波特），所以想要提高信息传输速率，就要增多码元种类（V），但码元种类又受噪声限制，所以：
- 信道中的信噪比越大，信息极限传输速率越高
- 对一定的带宽以及一定的信噪比，信息传速速率是有上限的
- 只要数信息传输速率低于极限信息传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输（码元编码）
- 实际信息传输速率要比得出的极限信息传输速率低不少
编码与调制
- 模拟信号传输（基带信号传输）
- 模拟信号传输（宽带信号传输）
数字数据 编码成 数字信号
使用数字发生器。
在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输信号。
- 归零编码
高1低0，中间均跳变至低
自同步，占带宽
- 非归零编码
高1低0，不跳变
无检错，难同步
- 反向归零编码
信号翻转代表0，不翻转代表1
不占带宽，难同步
- 曼彻斯特编码（以太网使用）
前高后低1，前低后高0，中间跳变
自同步，所占频带宽度是基带宽度2倍（每个码元有两个电平，如果码元传输速率为n，则信息传输速率为n/2）
- 差分曼彻斯特编码（局域网使用）
前半与前码元后半相同1，相反0，中间跳变
自同步，抗干扰强
- 4B/5B编码
数据流比特每4位为一组，按4B/5B规则将其转换成相应的5位码。
5位码共32种组合，但只采用其中16种对应16种不同的4四位码，其他16种作为控制码（帧的开始与结束、状态信息等）保留。
编码效率为80%（5位只用到4位）
数字信号 调制为 模拟信号
使用调制解调器。
- 调幅（幅移键控，ASK）
容易实现，但抗干扰差。
- 调频（频移键控，FSK）
容易实现，抗干扰强，应用广泛。
- 调相（相移键控，PSK）
- 调幅+调相（正交振幅调制，QAM）
设波特率为B，采用m个相位，每个相位n种振幅
数据传输速率R = Blog2(mn) mn种波型 -> mn种码元
模拟数据 编码为 数字信号
使用PCM编码器。
常用于对音频信号进行编码，主要包括采样、量化和编码三个步骤。
采样频率必须大于带宽最高频率的2倍，才能保证采样后的数字信息完整的保存原始模拟信号的信息（奈奎斯特定理）。
模拟数据 调制为 模拟信号
使用放大器。
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。
还可以使用频分复用（FDM），充分利用带宽。
例如，电话机与本地局交换机就是将声音数据（低频）加载到模拟的载波信号（高频）中传输的。
电路交换、报文交换与分组交换
电路交换
传输前，必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，直至通信结束后才被释放。
分为建立连接、数据传输和释放连接三个阶段。
用户始终占用端到端的固定传输带宽。
优点：
- 通信时延小
- 有序传输
- 没有冲突
- 模拟信号、数字信号都使用
- 实时性强
- 控制简单
缺点：
- 建立连接时间长
- 线路独占
- 灵活性差
- 难以规格化：不同速率、不同类型终端难以通信
- 中间结点无数据缓存能力，难以平滑通信量
报文交换
数据交换单位为报文。
报文携带目的地址、源地址等信息，通过存储转发的方式在结点间传输。
报文长度不限。
优点：
- 无须建立连接
- 动态分配线路
- 提高线路可靠性
- 提高线路利用率
- 提供多目标服务
- 易规格化：在存储转发中容易实现速率匹配与信号转换
缺点：
- 有传输时延
- 实时性差
- 只适用于数字信号
- 对报文大小没有限制，要求网络结点有很大的缓存空间
分组交换
传输单位是分组。
限制了分组的大小，再加上一些必要的控制信息（如编号信息），构成分组（Packet）。
优点：
- 包含报文交换的所有优点....
- 简化了存储管理：分组的长度固定
- 加速传输：可以流水线逐个传输分组
- 减少了出错概率与重发数据量：分组较短，出错概率必然减小
- 分组短小，适用于突发式数据通信
缺点：
- 有传输时延
- 额外传输信息量（相对报文交换更显著）
- 可能出现分组失序、重复或丢失等，如果采用虚电路，虽然没有失序问题，但仍需要呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个阶段
数据报与虚电路
是分组交换的两种方式。
数据报
- 不需要预先建立分组，发送方可随时发送，接收方可随时接收
- 不保证可靠性，尽最大努力交付
- 每个分组独立传输
- 对故障使用能力强
- 适用于突发式通信，不适用于长报文、会话式通信
- 不独占某条线路，资源利用率高
虚电路
在分组发送之间，要求发送方和接收方建立一条逻辑上的虚电路。
一旦虚电路建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。
三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放
建立时，分配一个虚电路号给该线路，传输数据时，分组要携带虚电路号，以区别其他虚电路上的分组。每个结点上都有一个虚电路表，记录每一个打开的虚电路。数据的传输是双向进行的。
- 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段
- 保证分组有序到达
- 提供流量控制
- 每个结点可以与多个结点建立虚电路
- 分组首部不包含首地址，包含虚电路号，由路径上的结点沿着对应虚电路进行传输
当网络中某个结点或某条链路故障时，所有经过该结点的虚电路都将遭到破坏。
传输介质
导向介质
双绞线
并排绞合、相互绝缘的铜导线。
再加上一层金属丝编织的屏蔽层，就是屏蔽双绞线（STP）。
无金属屏蔽层的，就是非屏蔽双绞线（UTP）。
- 价格便宜，常用于局域网和传统电话网中
- 带宽取决于铜线的粗细和传输距离
- 数字信号和模拟信号都适用
- 传播距离数十千米，距离太远时，对于模拟传输要使用放大器，对于数字传输要使用中继器
同轴电缆
内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层组成。
分为50Ω和75Ω同轴电缆，50Ω用于传输基带数字信号，称为基带同轴电缆，广泛用于局域网；75Ω用于传输宽带信号，又称宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统。
- 价格较贵
- 抗干扰好，广泛用于较高速率的数据传输，距离更远
光纤
光导纤维（纤芯）与包层组成。
多模光纤只适用于近距离传输，单模光纤适用于远距离传输。
- 价格高
- 传输损耗小，距离极远
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 无串音干扰，保密性好
- 体积小，重量轻
非导向介质
无线电波
无线手机、无线局域网WLAN等泛用。
沿所有方向散播。
微波、红外线与激光
高带宽通信常用。
具有很强的方向性，沿直线传播，通信双方存在一条视线介质（Line-of-sight）通路。
微波通信的信号是沿直线传播的，所以在地面的传播距离有限，超过一定距离就要通过中继站接力。
卫星通信通过地球同步卫星作为中继站。
优点：
- 通信容量大
- 距离远
- 覆盖广
缺点：
- 保密性差
- 端到端时延长
- 受气候影响大
- 误码率高
- 成本高
物理层接口的特性
- 机械特性：接口的接线器的形状、尺寸。
- 电气特性：电压范围，传输速率、距离限制。
- 功能特性：电压表示意义。
- 过程特性（规程特性）：功能的执行顺序。