2.1 通信基礎(chǔ)

通信的目的是傳送消息（消息：語(yǔ)音、文字、圖像摸吠、視頻等）。

2.1.1 基本概念

2.1.1.1 數(shù)據(jù)嚎花、信號(hào)和碼元

數(shù)據(jù)(data)：傳送信息的實(shí)體寸痢，通常是有意義的符號(hào)序列。

信號(hào)：數(shù)據(jù)的電氣/電磁的表現(xiàn)紊选，是數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的存在形式啼止。

• 數(shù)字信號(hào)/離散信號(hào)：代表消息的參數(shù)的取值是離散的。
• 模擬信號(hào)/連續(xù)信號(hào)：代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的丛楚。

碼元是指用一個(gè)固定時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)波形（數(shù)字脈沖）族壳，代表不同離散數(shù)值的基本波形，是數(shù)字通信中數(shù)字信號(hào)的計(jì)量單位趣些，這個(gè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)稱(chēng)為k進(jìn)制碼元仿荆，而該時(shí)長(zhǎng)稱(chēng)為碼元寬度。當(dāng)碼元的離散狀態(tài)有M個(gè)時(shí)（M大于2）坏平，此時(shí)碼元為M進(jìn)制碼元拢操。1碼元可以攜帶多個(gè)比特的信息量。例如舶替，在使用二進(jìn)制編碼時(shí)令境，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)顾瞪，另一種代表1狀態(tài)舔庶。

2.1.1.2 信源、信道與信宿

信源：產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)的源頭陈醒。

信宿：接收數(shù)據(jù)的終點(diǎn)惕橙。

信道：信號(hào)的傳輸媒介。一般用來(lái)表示向某一個(gè)方向傳送信息的介質(zhì)钉跷，因此一條通信線路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道弥鹦。

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從通信雙方信息的交互方式看，可以有三種基本方式：

• 單工通信：只有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互爷辙，僅需要一條信道彬坏。
• 半雙工通信/雙向交替通信：通信的雙方都可以發(fā)送或接收信息朦促，但任何一方都不能同時(shí)發(fā)送和接收，需要兩條信道栓始。
• 全雙工通信/雙向同時(shí)通信：通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接受信息务冕，也需要兩條信道。

數(shù)據(jù)傳輸方式有串行傳輸和并行傳輸：

• 串行傳輸：將表示一個(gè)字符的8位二進(jìn)制數(shù)按由低位到高位的順序依次發(fā)送混滔。速度慢洒疚，費(fèi)用低，適合遠(yuǎn)距離
• 并行傳輸：將表示一個(gè)字符的8位二進(jìn)制數(shù)同時(shí)通過(guò)8條信道發(fā)送坯屿。速度快油湖，費(fèi)用高，適合近距離

數(shù)據(jù)傳輸方式還可以分為：

• 同步傳輸：在同步傳輸?shù)哪Ｊ较铝祯耍瑪?shù)據(jù)的傳送是以一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊為單位乏德，因此同步傳輸又稱(chēng)為區(qū)塊傳輸。在傳送數(shù)據(jù)時(shí)吠昭，需先送出1個(gè)或多個(gè)同步字符喊括，再送出整批的數(shù)據(jù)。
• 異步傳輸：異步傳輸將比特分成小組進(jìn)行傳送矢棚，小組可以是8位的1個(gè)字符或更長(zhǎng)郑什。發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組刁赦，而接收方不知道它們會(huì)在什么時(shí)候到達(dá)弥奸。傳送數(shù)據(jù)時(shí)，加一個(gè)字符起始位和一個(gè)字符終止位畦木。

2.1.1.3 速率兜粘、波特與帶寬

速率也叫數(shù)據(jù)率申窘，是指數(shù)據(jù)的傳輸速率，表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量孔轴√攴ǎ可以用碼元傳輸速率和信息傳輸速率表示。

• 碼元傳輸速率：別名碼元速率路鹰、波形速率贷洲、調(diào)制速率、符號(hào)速率等晋柱，它表示單位時(shí)間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)（也可稱(chēng)為脈沖個(gè)數(shù)或信號(hào)變化的次數(shù)）恩脂，單位是波特（Baud）。1波特表示數(shù)字通信系統(tǒng)每秒傳輸一個(gè)碼元

數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分趣斤，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與碼元長(zhǎng)度T有關(guān)黎休，即

• 信息傳輸速率：別名信息速率浓领、比特率等玉凯，表示單位時(shí)間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元個(gè)數(shù)（即比特?cái)?shù)），單位是比特/秒（b/s）漫仆。

若一個(gè)碼元攜帶n bit的信息量盲厌，則M Baud的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為M×n bit/s。

例：若2秒內(nèi)傳4800個(gè)碼元祸泪，碼元傳輸速率是多少？

答：2400B

帶寬：

1. 模擬信號(hào)系統(tǒng)中：當(dāng)輸入的信號(hào)頻率高或低到一定程度懂扼，使得系統(tǒng)的輸出功率成為輸入功率的一半時(shí)(即-3dB)，最高頻率和最低頻率間的差值就代表了系統(tǒng)的通頻帶寬右蒲，其單位為赫茲(Hz)。

2. 數(shù)字設(shè)備中：表示在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過(guò)的“最高數(shù)據(jù)率”/單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)鏈路的數(shù)量陷嘴，常用來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路所能傳輸數(shù)據(jù)的能力灾挨。單位是比特每秒(bps)眶诈。

2.1.2 奈奎斯特定理與香農(nóng)定理

發(fā)送信號(hào)波形收到現(xiàn)實(shí)中的信道（帶寬受限逝撬、有噪聲宪潮、干擾）而接收端無(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象稱(chēng)為失真

影響失真程度的因素：

1. 碼元傳輸速率
2. 信號(hào)傳輸距離
3. 噪聲干擾
4. 傳輸媒體質(zhì)量

信道帶寬是信道能通過(guò)的最高頻率和最低頻率之差狡相。如下圖信道帶寬=3300Hz-300Hz=3000Hz

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碼間串?dāng)_：失真的一種現(xiàn)象尽棕，即接收端收到的信號(hào)波形失去了碼元之間清晰界限的現(xiàn)象。

2.1.2.1 奈奎斯特定理

奈氏準(zhǔn)則：在理想低通（無(wú)噪聲伊诵，帶寬受限）條件下曹宴，為了避免碼間串?dāng)_笛坦，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬废离，單位是Hz厅缺。若用V標(biāo)識(shí)每個(gè)碼元離散電平的數(shù)目湘捎，則極限數(shù)據(jù)率為

根據(jù)奈氏準(zhǔn)則窥妇，可以得到以下結(jié)論：

1. 在任何信道中活翩，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜牟男埂Ｈ魝鬏斔俾食^(guò)此上限拉宗，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_問(wèn)題旦事，使接收端對(duì)碼元的完全正確識(shí)別成為不可能姐浮。
2. 信道的頻帶越寬（即能通過(guò)的信號(hào)高頻分量越多）葬馋，就可以用更高的速率進(jìn)行碼元的有效傳輸。
3. 奈氏準(zhǔn)則給出了碼元傳輸速率的限制白对，但并沒(méi)有對(duì)信息傳輸速率給出限制。
4. 由于碼元的傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的制約沉颂，所以要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率铸屉，就必須設(shè)法使每個(gè)碼元能攜帶更多個(gè)比特的信息量彻坛，這就需要采用多元制的調(diào)制方法昌屉。

2.1.2.2 香農(nóng)定理

噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中间驮。由于噪聲隨機(jī)產(chǎn)生竞帽，它的瞬時(shí)值有時(shí)會(huì)很大屹篓，因此噪聲會(huì)使接收端對(duì)碼元的判決產(chǎn)生錯(cuò)誤堆巧。但是噪聲的影響是相對(duì)的恳邀，若信號(hào)較強(qiáng)谣沸，那么噪聲影響相對(duì)較小乳附。因此，信噪比就很重要阱缓。

信噪比=信號(hào)的平均功率/噪聲的平均功率荆针，常記為S/N航背，并用分貝（dB）作為度量單位玖媚，即：

香農(nóng)定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中今魔，為了不產(chǎn)生誤差错森，信息的數(shù)據(jù)傳輸速率有上限值问词。

對(duì)于香農(nóng)定理，有以下結(jié)論：

1. 信道的帶寬或信道中的信噪比越大垄分，則信息的極限傳輸速率就越高薄湿。
2. 對(duì)一定的傳輸帶寬和一定的信噪比豺瘤，信息傳輸速率的上限就確定了坐求。
3. 只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率桥嗤，就一定能找到某種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸泛领。
4. 香農(nóng)定理得出的為極限信息傳輸速率渊鞋，實(shí)際信道能達(dá)到的傳輸速率要比它低不少锡宋。
5. 從香農(nóng)定理可以看出员辩，若信道帶寬W或信噪比S/N沒(méi)有上限（不可能）奠滑，那么信道的極限信息傳輸速率也就沒(méi)有上限宋税。

2.1.3 編碼和調(diào)制

信道上傳送的信號(hào)可以分為基帶信號(hào)和寬帶信號(hào)

• 基帶信號(hào)：將數(shù)字信號(hào)1和0直接用兩種不同的電壓表示杰赛，再送到數(shù)字信道上去傳輸（基帶傳輸）乏屯。來(lái)自信源的信號(hào)辰晕，像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)含友【轿剩基帶信號(hào)就是發(fā)出的直接表達(dá)了要傳輸?shù)男畔⒌男盘?hào)惠赫，比如我們說(shuō)話的聲波就是基帶信號(hào)汉形。
• 寬帶信號(hào)：將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)概疆，再傳送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）岔冀。把基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后罐呼，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過(guò)信道）嫉柴。

在傳輸距離較近時(shí)计螺，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用基帶傳輸方式（近距離衰減小登馒，從而信號(hào)內(nèi)容不易發(fā)生變化）

在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)陈轿，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用寬帶傳輸方式（遠(yuǎn)距離衰減大麦射，即使信號(hào)變化大也能最后過(guò)濾出來(lái)基帶信號(hào)）

2.1.3.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)

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1. 歸零編碼：在歸零編碼(RZ)中用高電平代表1、低電平代表0(或者相反)半等，每個(gè)時(shí)鐘周期的中間均跳變到低電平（歸零)杀饵，接收方根據(jù)該跳變調(diào)整本方的時(shí)鐘基準(zhǔn)切距，這就為傳輸雙方提供了自同步機(jī)制谜悟。由于歸零需要占用一部分帶寬葡幸，因此傳輸效率受到了一定的影響床蜘。
2. 非歸零編碼(NRZ)與RZ編碼的區(qū)別是不用歸零邢锯，一個(gè)周期可以全部用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)丹擎。但NRZ編碼無(wú)法傳遞時(shí)鐘信號(hào)鸥鹉，雙方難以同步，因此若想傳輸高速同步數(shù)據(jù)单刁，則需要都帶有時(shí)鐘線。
3. 反向非歸零編碼：反向非歸零編碼（NRZI)與NRZ編碼的區(qū)別是用信號(hào)的翻轉(zhuǎn)代表0逻淌、信號(hào)保持不變代表1卡儒。翻轉(zhuǎn)的信號(hào)本身可以作為一種通知機(jī)制骨望。這種編碼方式集成了前兩種編碼的優(yōu)點(diǎn)擎鸠，既能傳輸時(shí)鐘信號(hào)袜蚕，又能盡量不損失系統(tǒng)帶寬牲剃。USB 2.0通信的編碼方式就是NRZI編碼颠黎。
4. 曼徹斯特編碼：將一個(gè)碼元分成兩個(gè)相等的間隔狭归，前一個(gè)間隔為低電平后一個(gè)間隔為高電平表示碼元1；碼元0則正好相反戏仓。也可以采用相反的規(guī)定敷待。該編碼的特點(diǎn)是在每一個(gè)碼元的中間出現(xiàn)電平跳變榜揖，位中間的跳變既作時(shí)鐘信號(hào)（可用于同步）举哟，又作數(shù)據(jù)信號(hào)，但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍壶硅。每一個(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)電平森瘪，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2扼睬。
5. 差分曼徹斯特編碼：常用于局域網(wǎng)傳輸措伐，其規(guī)則是：若碼元為1侥加，則前半個(gè)碼元的電平與上一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元的電平相同担败，若為0，則相反狈网。該編碼的特點(diǎn)是拓哺，在每個(gè)碼元的中間，都有一次電平的跳轉(zhuǎn)础淤，可以實(shí)現(xiàn)自同步，且抗干擾性強(qiáng)于曼徹斯特編碼
6. 4B/5B編碼：比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1建峭，就是用5個(gè)比特來(lái)編碼4個(gè)比特的數(shù)據(jù)，之后再傳給接收方边锁，因此稱(chēng)為4B/5B茅坛。編碼效率為80%曹鸠。只采用16種對(duì)應(yīng)16種不同的4位碼彻桃，其他的16種作為控制碼（幀的開(kāi)始和結(jié)束，線路的狀態(tài)信息等）或保留肆饶。

2.1.3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)在發(fā)送端將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)抖拴，而在接收端將模擬信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)過(guò)程洒放。

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調(diào)幅+調(diào)相（QAM）

某通信鏈路的波特率是1200Baud，采用4個(gè)相位领追，每個(gè)相位有4種振幅的QAM調(diào)制技術(shù)，則該鏈路的信息傳輸速率是多少些膨？

2.1.3.3 模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)

計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)钦铺，處理的都是數(shù)字音頻订雾，所以需要將模擬音頻通過(guò)采樣、量化轉(zhuǎn)換成有限個(gè)數(shù)字表示的離散序列（即實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)字化）矛洞。最典型的例子就是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行編碼的脈碼調(diào)制（PCM）洼哎，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，能夠達(dá)到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用于素材保存及音樂(lè)欣賞谱净，CD、DVD以及我們常見(jiàn)的WAV文件中均有應(yīng)用壕探。它主要包括三步：抽樣冈钦、量化、編碼李请。

• 抽樣：對(duì)模擬信號(hào)周期性掃描瞧筛，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。為了使所得的離散信號(hào)能無(wú)失真地代表被抽樣的模擬數(shù)據(jù)导盅，要使用采樣定理進(jìn)行采樣：
• 量化： 把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級(jí)標(biāo)度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字值较幌，并取整數(shù)，這就把連續(xù)的電平幅值轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量白翻。
• 編碼：把量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼乍炉。

2.1.3.4 模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)

為了實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)挠行裕赡苄枰^高的頻率滤馍。這種調(diào)制方式還可以使用頻分復(fù)用技術(shù)岛琼，充分利用帶寬資源。在電話機(jī)和本地交換機(jī)所傳輸?shù)男盘?hào)是采用模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù)的方式巢株；模擬的聲音數(shù)據(jù)是加載到模擬的載波信號(hào)中傳輸?shù)摹?/p>

2.1.4 數(shù)據(jù)交換方式

2.1.4.1 電路交換(Circuit Exchanging)

電路交換：在數(shù)據(jù)傳輸期間槐瑞，源結(jié)點(diǎn)與目的結(jié)點(diǎn)之間有一條由中間結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的專(zhuān)用物理連接線路，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前阁苞，這條線路一直保持困檩。因此，電路交換技術(shù)分為三個(gè)階段：連接建立那槽、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放悼沿。特點(diǎn)：獨(dú)占資源，用戶(hù)始終占用端到端的固定傳輸帶寬骚灸。適用于遠(yuǎn)程批處理信息傳輸或系統(tǒng)間實(shí)時(shí)性要求高的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r糟趾。

電路交換優(yōu)點(diǎn)：

• 傳輸時(shí)延小
• 數(shù)據(jù)順序傳送，無(wú)失序問(wèn)題
• 實(shí)時(shí)性強(qiáng)逢唤，雙方一旦建立物理通路，便可以實(shí)時(shí)通信涤浇，適用于交互式會(huì)話類(lèi)通信鳖藕。
• 全雙工通信，沒(méi)有沖突只锭，通信雙方有不同的信道著恩，不會(huì)爭(zhēng)用物理信道
• 適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)
• 控制簡(jiǎn)單，電路的交換設(shè)備及控制較簡(jiǎn)單

電路交換缺點(diǎn)：

• 建立連接時(shí)間長(zhǎng)
• 線路獨(dú)占，即使通信線路空閑喉誊，也不能供其他用戶(hù)使用邀摆，信道使用效率低。
• 靈活性差伍茄，雙方連接通路中的任何一點(diǎn)出了故障栋盹，必須重新?lián)芴?hào)建立新連接，不適應(yīng)突發(fā)性通信敷矫。
• 無(wú)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力例获，難以平滑通信量。
• 電路交換時(shí)曹仗，數(shù)據(jù)直達(dá)榨汤，不同類(lèi)型、不同規(guī)格怎茫、不同速率的終端很難相互進(jìn)行通信
• 無(wú)法發(fā)現(xiàn)與糾正傳輸差錯(cuò)收壕，難以在通信過(guò)程中進(jìn)行差錯(cuò)控制。

2.1.4.2 報(bào)文交換(Message Exchanging)

報(bào)文：報(bào)文(message)是網(wǎng)絡(luò)中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元轨蛤，即站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊蜜宪。報(bào)文包含了將要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)信息，其長(zhǎng)短很不一致俱萍，長(zhǎng)度不限且可變端壳。報(bào)文交換無(wú)需在兩個(gè)站點(diǎn)之間建立一條專(zhuān)用通路，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆?bào)文枪蘑，傳送過(guò)程采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式损谦。

報(bào)文交換優(yōu)點(diǎn)：

• 無(wú)需建立連接，無(wú)建立連接時(shí)延岳颇，用戶(hù)可隨時(shí)發(fā)送報(bào)文照捡。
• 動(dòng)態(tài)分配線路，動(dòng)態(tài)選擇報(bào)文通過(guò)的最佳路徑话侧，可以平滑通信量栗精。
• 提高線路可靠性，某條傳輸路徑發(fā)生故障瞻鹏，可重新選擇另一條路徑傳輸悲立。
• 提高線路利用率，通信雙方在不同的時(shí)間一段一段地部分占有這條物理通道新博，多個(gè)報(bào)文可共享信道薪夕。
• 提供多目標(biāo)服務(wù)：一個(gè)報(bào)文可同時(shí)發(fā)往多個(gè)目的地址。
• 在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中容易實(shí)現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換和速率匹配赫悄，甚至收發(fā)雙方可以不同時(shí)處于可用狀態(tài)原献。這樣就便于類(lèi)型馏慨、規(guī)格和速度不同的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信。

報(bào)文交換缺點(diǎn)：

• 實(shí)時(shí)性差姑隅，不適合傳送實(shí)時(shí)或交互式業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)写隶。數(shù)據(jù)進(jìn)入交換結(jié)點(diǎn)后要經(jīng)歷存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，從而引起轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延讲仰。
• 只適用于數(shù)字信號(hào)慕趴。
• 由于報(bào)文長(zhǎng)度沒(méi)有限制，而每個(gè)中間結(jié)點(diǎn)都要完整地接收傳來(lái)的整個(gè)報(bào)文叮盘，當(dāng)輸出線路不空閑時(shí)秩贰，還可能要存儲(chǔ)幾個(gè)完整報(bào)文等待轉(zhuǎn)發(fā)，要求網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)有較大的緩沖區(qū)柔吼。為了降低成本毒费，減少結(jié)點(diǎn)的緩沖存儲(chǔ)器的容量，有時(shí)要把等待轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文存在磁盤(pán)上愈魏，進(jìn)一步增加了傳送時(shí)延觅玻。

2.1.4.3 分組交換(Packet Exchanging)

分組：大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都不能連續(xù)地傳送任意長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，所以實(shí)際上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分割成小塊培漏，然后逐塊地發(fā)送溪厘，這種小塊就稱(chēng)作分組（packet）。分組交換與報(bào)文交換的工作方式基本相同牌柄，都采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式畸悬，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長(zhǎng)度珊佣，一般選128B蹋宦。發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先對(duì)從終端設(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行接收、存儲(chǔ)咒锻，而后將報(bào)文劃分成一定長(zhǎng)度的分組冷冗，并以分組為單位進(jìn)行傳輸和交換。接收結(jié)點(diǎn)將收到的分組組裝成信息或報(bào)文惑艇。

分組交換優(yōu)點(diǎn)：

• 無(wú)建立時(shí)延蒿辙，無(wú)需為通信雙方預(yù)先建立一條專(zhuān)用通信線路，用戶(hù)可隨時(shí)發(fā)送分組滨巴。
• 線路利用率高思灌，通信雙方在不同的時(shí)間一段一段地部分占有這條物理通道，多個(gè)分組可共享信道恭取。
• 簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)管理泰偿。因?yàn)榉纸M的長(zhǎng)度固定，相應(yīng)的緩沖區(qū)的大小也固定秽荤，在交換結(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)器的管理通常被簡(jiǎn)化為對(duì)緩沖區(qū)的管理甜奄，相對(duì)比較容易。
• 加速傳輸窃款，后一個(gè)分組的存儲(chǔ)可以和前一個(gè)分組的轉(zhuǎn)發(fā)并行操作课兄；傳輸一個(gè)分組比一份報(bào)文所需緩沖區(qū)小，減少等待發(fā)送時(shí)間晨继。
• 減少出錯(cuò)幾率和重發(fā)數(shù)據(jù)量烟阐，提高可靠性，減少傳輸時(shí)延紊扬。
• 分組短小蜒茄，適用于計(jì)算機(jī)之間突發(fā)式數(shù)據(jù)通信。

分組交換缺點(diǎn)：

• 盡管分組交換比報(bào)文交換的傳輸時(shí)延少餐屎，但仍存在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延檀葛，而且其結(jié)點(diǎn)交換機(jī)必須具有更強(qiáng)的處理能力。
• 每個(gè)分組都要加控制信息腹缩，一定程度上降低了通信效率屿聋，增加了處理的時(shí)間。
• 當(dāng)分組交換采用數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)時(shí)藏鹊，可能出現(xiàn)失序润讥、丟失或重復(fù)分組，分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)盘寡，要對(duì)分組按編號(hào)進(jìn)行排序等工作楚殿，增加了麻煩。若采用虛電路服務(wù)竿痰，雖無(wú)失序問(wèn)題脆粥，但有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和虛電路釋放三個(gè)過(guò)程菇曲。

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1. 傳送數(shù)據(jù)量大冠绢，且傳送時(shí)間遠(yuǎn)大于呼叫時(shí)，選擇電路交換常潮。電路交換傳輸時(shí)延最小弟胀。
2. 當(dāng)端到端的通路有很多段的鏈路組成時(shí)，采用分組交換傳送數(shù)據(jù)較為合適喊式。
3. 從信道利用率上看孵户，報(bào)文交換和分組交換優(yōu)于電路交換，其中分組交換比報(bào)文交換的時(shí)延小岔留，尤其適合于計(jì)算機(jī)之間的突發(fā)式的數(shù)據(jù)通信夏哭。

2.1.5 數(shù)據(jù)報(bào)與虛電路

2.1.5.1 數(shù)據(jù)報(bào)方式

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1. 源主機(jī)（A）將報(bào)文分成多個(gè)分組，依次發(fā)送到直接相連的結(jié)點(diǎn)（A）献联。
2. 結(jié)點(diǎn)A收到分組后竖配，對(duì)每個(gè)分組差錯(cuò)檢測(cè)和路由選擇何址，不同分組的下一跳結(jié)點(diǎn)可能不同。
3. 結(jié)點(diǎn)C收到分組P1后进胯，對(duì)分組P1進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)用爪，若正確則向A發(fā)送確認(rèn)信息，A收到C確認(rèn)后則丟棄分組P1副本胁镐。
4. 所有分組到達(dá)主機(jī)B

數(shù)據(jù)報(bào)方式的特點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)報(bào)方式為網(wǎng)絡(luò)層提供無(wú)連接服務(wù)^[1]偎血。發(fā)送方可隨時(shí)發(fā)送分組，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)可隨時(shí)接收分組盯漂。
• 同一報(bào)文的不同分組達(dá)到目的結(jié)點(diǎn)時(shí)可能發(fā)生亂序颇玷、重復(fù)與丟失。
• 每個(gè)分組在傳輸過(guò)程中都必須攜帶源地址和目的地址就缆，以及分組號(hào)帖渠。
• 分組在交換結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，需要排隊(duì)等候處理竭宰，這會(huì)帶來(lái)一定的時(shí)延阿弃。當(dāng)通過(guò)交換結(jié)點(diǎn)的通信量較大或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，這種時(shí)延會(huì)大大增加羞延，交換結(jié)點(diǎn)還可根據(jù)情況丟棄部分分組渣淳。
• 網(wǎng)絡(luò)具有冗余路徑，當(dāng)某一交換結(jié)點(diǎn)或一段鏈路出現(xiàn)故障時(shí)伴箩，可相應(yīng)地更新轉(zhuǎn)發(fā)表入愧，尋找另一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)分組，對(duì)故障的適應(yīng)能力強(qiáng)嗤谚，適用于突發(fā)性通信棺蛛，不適于長(zhǎng)報(bào)文、會(huì)話式通信巩步。

2.1.5.2 虛電路方式

虛電路：一條源主機(jī)到目的主機(jī)類(lèi)似于電路的路徑（邏輯連接）旁赊，路徑上所有結(jié)點(diǎn)都要維持這條虛電路的建立，都維持一張?zhí)撾娐繁硪我埃恳豁?xiàng)記錄了一個(gè)打開(kāi)的虛電路的信息终畅。與電路交換類(lèi)似，整個(gè)通信過(guò)程分為三個(gè)階段：虛電路建立竟闪、數(shù)據(jù)傳輸和虛電路釋放

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1. 虛電路建立：源主機(jī)發(fā)送“呼叫請(qǐng)求”分組并收到“呼叫應(yīng)答”分組后才算建立連接离福。
2. 數(shù)據(jù)傳輸：每個(gè)分組攜帶虛電路號(hào)，分組號(hào)炼蛤、檢驗(yàn)和等控制信息妖爷。
3. 虛電路釋放：源主機(jī)發(fā)送“釋放請(qǐng)求”分組以拆除虛電路。

虛電路方式的特點(diǎn)：

• 虛電路方式為網(wǎng)絡(luò)層提供連接服務(wù)^[2]理朋。源節(jié)點(diǎn)與目的結(jié)點(diǎn)之間建立一條邏輯連接絮识，而非實(shí)際物理連接绿聘。
• 一次通信的所有分組都通過(guò)虛電路順序傳送，分組不需攜帶源地址次舌、目的地址等信息斜友，包含虛電路號(hào)，相對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)方式開(kāi)銷(xiāo)小垃它，同一報(bào)文的不同分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)不會(huì)亂序、重復(fù)或丟失烹看。
• 分組通過(guò)虛電路上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)国拇，節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，不需進(jìn)行路由選擇惯殊。
• 每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能與多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立多條虛電路酱吝，每條虛電路支持特定的兩個(gè)端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)端點(diǎn)的流量進(jìn)行控制土思，兩個(gè)端系統(tǒng)之間也可以有多條虛電路為不同的進(jìn)程服務(wù)务热。
• 致命弱點(diǎn)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)結(jié)點(diǎn)或某條鏈路出故障而徹底失效時(shí)，則所有經(jīng)過(guò)該結(jié)點(diǎn)或該鏈路的虛電路將遭到破壞

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2.2 傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)也稱(chēng)傳輸媒體/傳輸媒介己儒，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的物理通路崎岂。

傳輸媒體并不是物理層。傳輸媒體在物理層的下面闪湾，因?yàn)槲锢韺邮求w系結(jié)構(gòu)的第一層冲甘，因此有時(shí)稱(chēng)傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸?shù)氖切盘?hào)途样，但傳輸媒體并不知道所傳輸?shù)男盘?hào)代表什么意思江醇。但物理層規(guī)定了電氣特性，因此能夠識(shí)別所傳送的比特流何暇。傳輸介質(zhì)可以分為導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)和非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)

• 導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒介（銅線/光纖）傳播陶夜。
• 非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：自由空間，介質(zhì)可以是空氣裆站、真空条辟、海水等。

2.2.1 導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)

2.2.1.1 雙絞線

雙絞線是古老宏胯、又最常用的傳輸介質(zhì)捂贿，它由兩根采用一定規(guī)則并排絞合的、相互絕緣的銅導(dǎo)線組成胳嘲，絞合可以減少對(duì)相鄰導(dǎo)線的電磁干擾厂僧。

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為了進(jìn)一步提高抗電磁干擾能力，可在雙絞線的外面再加上一個(gè)由金屬絲編織成的屏蔽層了牛，這就是屏蔽雙絞線（STP）颜屠，無(wú)屏蔽層的雙絞線就稱(chēng)為非屏蔽雙絞線（UTP）辰妙。

雙絞線價(jià)格便宜，是最常用的傳輸介質(zhì)之一，在局域網(wǎng)和傳統(tǒng)電話網(wǎng)中普遍使用。模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線倒槐，其通信距離一般為幾公里到數(shù)十公里闷串。距離太遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)于模擬傳輸铅鲤，要用放大器放大衰減的信號(hào)；對(duì)于數(shù)字傳輸，要用中繼器將失真的信號(hào)整形懒构。

2.2.1.2 同軸電纜

同軸電纜由導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層耘擂、網(wǎng)狀編織屏蔽層和塑料外層構(gòu)成胆剧。按特性阻抗數(shù)值的不同，通常將同軸電纜分為兩類(lèi)：50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜醉冤。其中秩霍，50Ω同軸電纜主要用于傳送基帶數(shù)字信號(hào)，又稱(chēng)為基帶同軸電纜蚁阳，它在局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用铃绒；75Ω同軸電纜主要用于傳送寬帶信號(hào)，又稱(chēng)為寬帶同軸電纜螺捐，它主要用于有線電視系統(tǒng)匿垄。

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由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好归粉，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)椿疗，其傳輸距離更遠(yuǎn)，但價(jià)格較雙絞線貴糠悼。

2.2.1.3 光纖

光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱(chēng)光纖）傳遞光脈沖來(lái)進(jìn)行通信届榄。有光脈沖表示1，無(wú)光脈沖表示0倔喂。而可見(jiàn)光的頻率大約是108MHz铝条，因此光纖通信系統(tǒng)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。

光纖在發(fā)送端有光源席噩，可以采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器班缰，它們?cè)陔娒}沖作用下能產(chǎn)生出光脈沖；在接收端用光電二極管做成光檢測(cè)器悼枢，在檢測(cè)到光脈沖時(shí)可還原出電脈沖埠忘。

光纖主要由纖芯(實(shí)心的)和包層構(gòu)成，光波通過(guò)纖芯進(jìn)行傳導(dǎo)，包層較纖芯有較低的折射率莹妒。當(dāng)光線從高折射率的介質(zhì)射向低折射率的介質(zhì)時(shí)名船，其折射角將大于入射角。因此旨怠，如果入射角足夠大渠驼，就會(huì)出現(xiàn)全反射，即光線碰到包層時(shí)候就會(huì)折射回纖芯鉴腻、這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)迷扇，光也就沿著光纖傳輸下去。

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光纖可以分為單模光纖和多模光纖爽哎，其對(duì)比如下表

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光纖的特點(diǎn)：

1. 傳輸損耗小倦青，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)盹舞。
2. 抗雷電和電磁干擾性能好产镐。
3. 無(wú)串音干擾，保密性好踢步，也不易被竊聽(tīng)或截取數(shù)據(jù)癣亚。
4. 體積小，重量輕获印。

2.2.2 非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)

• 無(wú)線電波：信號(hào)向所有方向傳播述雾，具有較強(qiáng)穿透能力，可傳遠(yuǎn)距離兼丰，廣泛用于通信領(lǐng)域（如手機(jī)通信）玻孟。

• 微波：信號(hào)固定方向傳播，微波通信頻率較高鳍征、頻段范圍寬黍翎，因此數(shù)據(jù)率很高。

  • 地面微波接力通信
  • 衛(wèi)星通信

• 紅外線艳丛、激光：信號(hào)固定方向傳播匣掸，把要傳輸?shù)男盘?hào)分別轉(zhuǎn)換為各自的信號(hào)格式，即紅外光信號(hào)和激光信號(hào)氮双，再在空間中傳播碰酝。

2.2.3 物理層接口特性

物理層解決如何在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體戴差。

物理主要任務(wù)：確定與傳輸媒體接口有關(guān)的一些特性：

• 機(jī)械特性：定義物理連接的特性送爸，規(guī)定物理連接時(shí)所采用的規(guī)格、接口形狀、引線數(shù)目碱璃、引腳數(shù)量和排列情況弄痹。
• 電氣特性：規(guī)定傳輸二進(jìn)制位時(shí)，線路上信號(hào)的電壓范圍嵌器、阻抗匹配肛真、傳輸速率和距離限制等。
• 功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平表示何種意義爽航，接口部件的信號(hào)線的用途蚓让。
• 過(guò)程特性：定義各條物理線路的工作規(guī)程和時(shí)序關(guān)系。

2.3 物理層設(shè)備

2.3.1 中繼器

中繼器主要功能是功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生和還原讥珍，對(duì)衰減的信號(hào)進(jìn)行放大历极，保持與原數(shù)據(jù)相同，以增加信號(hào)傳輸?shù)木嚯x衷佃，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度趟卸。(再生數(shù)字信號(hào))

中繼器的兩端的網(wǎng)絡(luò)部分是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)氏义，適用于完全相同的兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的互連锄列，且兩個(gè)網(wǎng)段速率要相同。兩端可連相同媒體惯悠，也可連不同媒體邻邮。中繼器只將任何電纜段上的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一段電纜上，它僅作用于信號(hào)的電氣部分克婶，并不管數(shù)據(jù)中是否有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不適于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)筒严。中繼器兩端的網(wǎng)段一定要是同一個(gè)協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)信號(hào)的延遲范圍作了具體的規(guī)定(5-4-3規(guī)則^[3])情萤，因而中繼器只能在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行鸭蛙，否則會(huì)網(wǎng)絡(luò)故障。

2.3.2 集線器(多口中繼器)

集線器的功能：對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生放大轉(zhuǎn)發(fā)筋岛，對(duì)衰減的信號(hào)進(jìn)行放大规惰，接著轉(zhuǎn)發(fā)到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態(tài)的端口上，以增加信號(hào)傳輸?shù)木嚯x泉蝌，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度歇万。不具備信號(hào)的定向傳送能力，是一個(gè)共享式設(shè)備勋陪。集線器不能分割沖突域贪磺，連在集線器上的工作主機(jī)平分帶寬

1. 無(wú)連接服務(wù)：不事先為分組的傳輸確定傳輸路徑，每個(gè)分組獨(dú)立確定傳輸路徑诅愚，不同分組傳輸路徑可能不同寒锚。 ?

2. 連接服務(wù)：首先為分組的傳輸確定傳輸路徑（建立連接）劫映，然后沿該路徑（連接）傳輸系列分組，系列分組傳輸路徑相同刹前，傳輸結(jié)束后拆除連接 ?

3. 在采用粗同軸電纜的10BASE5以太網(wǎng)規(guī)范中泳赋，互相串聯(lián)的中繼器個(gè)數(shù)不能超過(guò)4個(gè)，而且用4個(gè)中繼器串聯(lián)的5段通信介質(zhì)中只有3段可以掛接計(jì)算機(jī)喇喉，其余兩段只能用作擴(kuò)展通信范圍的鏈路段祖今，不能掛計(jì)算機(jī) ?