计算机通信系统

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一、计算机通信系统

1.1 构成

系统 信息学 物理设备 源系统 信源 发送器 传输系统 信道 通信介质 目标系统 信宿 接收器

1.2 传输的五个阶段

建立物理连接->建立数据传输链路->传输数据->断开传输链路->断开物理连接

1.3 传输中的两个内容

数据传输+通信控制

1.4 基本概念

数据

携带信息的实体。可分为模拟数据和数字数据。

信息

数据的内容或者解释。

信号

数据的物理量编码。

信号的分类：根据其在时间上是否连续可以分为模拟信号和数字信号；
根据其是否在时间上呈现周期性可以分为周期信号和非周期信号

信道

传输信号的线路；根据其传输的信号分为模拟信道和数字信道
其传输方式对应为模拟通信和数字通信

计算机网络通信中优先采用“数字通信”，因为其安全、抗干扰、可控性强>>灵活多样。

信息编码

将信息编码成二进制数据的过程

数据编码

将数据编码成物理量信号的过程。

1.5 信息的传输过程

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1.6通信方式

单工

单向传输。

半双工

双向但不能同时传输。

全双工

双向同时传输。

1.7传输方式

传输方式 信号类型 常见应用 特点 基带传输 编码成数字信号 以太网 距离短，速率高 频带传输 调至成模拟信号 电话网络传输数据 距离长，速率低 宽带传输 特殊的频带传输 闭路电视 分成多个子信道分别传输音频、视频和数字信号

1.8同步方式

保证发送和接收双方保持收发步调一致的过程称为同步，
分类：根据面向的对象可以分为位同步和字符同步；
根据传输的数据单位间的时间间隔是否可变可以分为同步传输和异步传输1。

根据其传输单元的大小层次可以分为三个层次：位同步、字符同步和帧同步

位同步

双方在时间基准上一致。有两种方式：
外同步：发送数据前先发送一个同步信号。如，不归零编码的信号
自同步：同步信号包含在数据中。如，曼彻斯特编码

字符同步

确定正确的字符边界。根据同步方式有：
同步制：头尾增加起始位和结束位来确认。效率高，匀速传输，字符间无间隔
异步制：头尾增加特殊的字符来确认。效率低，字符间隔可变，频率漂移不会积累。

帧同步

帧即数据链路层中的基本数据单元，分为面向字符和面向位两种。属于同步传输。

1.9数据编码和调制

数据类型 信号类型 编码或调制 应用 数字数据 数字信号 不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码 LAN 数字数据 模拟信号 调幅（ASK）、调频（FSK）、调相（PSK） 模拟数据 数字信号 PCM编码

不归零编码

电平反转与否表示1和0。效率高，但只能外同步。

曼彻斯特编码

电平“高-》低”表示0，反之为1.需要双倍带宽，可以自同步。

差分曼彻斯特编码

有跳变为0，无为1.是对“曼彻斯特”的改进，变化较少。

ASK

有振幅为1，无为0.

FSK

1倍频率为0,2倍频率为1.

PSK

一个周期内起始相位来表示1和0。

PCM编码

对模拟信号进行采样、量化而后进行编码。

采样定理：
采样频率大于等于两倍的模拟信号频率，即可恢复原始的模拟数据

1.10 传输介质

同轴电缆、双绞线、光纤、卫星、激光、红外、短波等。
双绞线的标准：

标号 1 2 3 4 5 6 7 8 EIA/TIA 568A 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 EIA/TIA 568B 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕

对传输信号来说它们所起的作用分别是：1、2用于发送，3、6用于接收，4、5，7、8是双向线；对与其相连接的双绞线来说，为降低相互干扰，标准要求1、2必须是绞缠的一对线，3、6也必须是绞缠的一对线，4、5相互绞缠，7、8相互绞缠。由此可见实际上两个标准568A和568B没有本质的区别，只是连接RJ-45时8根双绞线的线序排列不同，在实际的网络工程施工中较多采用568B标准

1.11信道复用技术

复用技术 原理 特点 应用 频分复用（FDM） 通过移频将多路信号至于不同的频带子信道中传输 GSM移动电话 时分复用（TDM） 将信道使用时间分割为一段段时隙，让多路信号交替使用 某路信号不使用时将造成浪费 CM与CMTS的通信 统治时分复用（STDM） 是TDM的改进版，有效回收利用空闲的时隙 效率有所降低 波分复用 用于光纤介质，按照光波波长来划分出子信道 光纤 码分复用（CDM） 通过正交的地址码来给划分子信道 码间存在干扰无法绝对正交 同步码分多址(SCDMA） 有效地消除码间干扰 3G

1.12 数据交换技术

为两个通信终端建立数据通信互连通路的过程，称为数据交换。这里的“交换”可以理解为动态的分配传输线路。

电路交换

通信前需要建立一个独享的连接。早期的电话网络采用该方法。

报文交换

通信前无需建立直接的连接，以报文为单位，报文中含有下一个节点的地址，每个节点具有“存储、转发”的功能，当通往下节点通路可用时发送。
报文交换是分组交换的前身。

分组交换

将报文分割成若干个大小相等的数据块——分组。分组中包含一块用户数据和控制信息。分组通过最佳路径传输到目标，然后重组恢复成原来的数据。按照是否需要事先建立连接分为两种方式:数据报方式+虚电路方式。

分组交换模型最著名的使用是互联网，它是一个分组交换网络，在多种网络技术上运行网络层互联网协议。以太网，X.25和帧中继都是分组交换网的数据链路层国际标准。新的移动电话技术像GPRS和i-mode也是使用分组交换。

1.13数据传输中的差错控制

接受方检测接受到的数据是否有错误，然后报告给发送方处理。
链路层上有三种方式：
1、检查反馈重发（ARQ）：包括停等ARQ、全部重复ARQ、选择重发ARQ。使用的是检错码。需要反向信道来报告。
2、自动纠错（FEC）：使用纠错码，不需要报告给发送方。单工传输中常用。
3、混合方式：ARQ和FEC的混合使用。

检错码
1、奇偶校验码：是一种通过增加冗余位使得码字中”1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法
2、循环冗余校验码（CRC）：CRC的工作方法是在发送端产生一个冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循冗余码同样的算法进行校验，如果发现错误，则通知发送端重发。

CRC原理：若设数据对应的多项式为M(x),校验多项式为K(x)。则设：
R(x)=M(x)*x^r 除以 K(x)的余数多项式。其中，r为R(x)最高次幂。
最终的发送码对应的多项式为：
M(x)*x^r+R(x)
接受方根据：M(x)*x^r+R(x)是否等于K(x)*Q(x) 来确认是否出错。

3、例子：数据为：01010010；校验多项式为

K(x)=x3+x2

那么最终的传输数据为？
解答：
r=3,K(x)对应的二进制码为：1100，M(x)*x^r对应的二进制码为：01010010 000
进行模2除：
1010010 000
1100
—————
1110010 000
1100
————
11010 000
1100
—-
10 000
11 00
—
1 000
1 100
—
100
所以：校验码为100，所以发送的数据为：01010010 100

1.14 其它相关概念

时延

发送时延+传播时延+转发时延。

带宽

传统通信工程中：工作的频率段宽度。
计算机网络通信中：每秒传输的二进制位数。

时延带宽乘积

=带宽x传播时延。代表信道的容量。

误码率

Pc=出错码元数/总码元数。

误比特率

Pb=出错的比特数/总比特数。（一般控制在10^-6）

信息传播速率

编码前的数字数据的比特数速率（用C表示，单位为bps或者b/s）

码元传输速率

信道中码元数速率（用B表示I，单位为波特，baud）

B和C关系：

C=B∗logM

其中，M为码元状态总数。

信道最大速率

信道类型 规则 说明 理想状态 奈奎斯特准则：

Bmax=2W

Cmax=2W∗logM

W为信道带宽 非理想状况（有噪声） 香农定理：

Cmax=W∗log(1+S/N)

S/N为信噪比,单位为分贝：

1db=10∗lg(S/N)

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1. 通常以字符传输为单位，面向字符的同步。 ↩