# 基本概念

# 信道

• 信道 (Channel)： 是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
• 信号 (Signal)： 是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
• 信源 (Source)： 产生或发送信息的设备或实体。
• 信宿 (Sink or Destination)： 是指接收信息的设备或实体。

# 码元

码元（Symbol）是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带 1bit 数据，也有可能携带 2bit 数据、4bit 数据。

# 波特

波特（Baud）是数据通信中的一个术语，用来表示符号（或码元）传输速率。具体来说，波特率（Baud rate）指的是每秒钟传输的码元（symbol）的数量。

码元和波特率： 一个码元可以携带一个或多个比特的信息。波特率是指每秒钟传输多少个这样的码元。例如，如果 波特率 为 1000 波特，这意味着每秒可以传输 1000 个码元。

波特率与比特率： 波特率和比特率的关系取决于每个码元携带的比特数。

• 一个码元能携带 1bit 数据，那么 比特率 = 1 倍的波特率。
• 一个码元能携带 2bit 数据，那么 比特率 = 2 倍的波特率。
• 一个码元能携带 4bit 数据，那么 比特率 = 4 倍的波特率。

# 速率

速率（Rate）是指连接到计算机网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为比特每秒（bit/s 或 b/s, bps)。

当数据率较高时，可用 kb/s（k = $10^{3}$ ）、Mb/s（M = $10^{6}$ ）或 Gb/s（G = $10^{9}$ ）表示。

速率可以用两种指标来衡量：

• 比特率：每秒传输的比特数量
• 波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则 波特率 $M$ 对应的 比特率 为 $M \times n$ bit/s

# 带宽

带宽（Bandwidth）有多种定义，

在通信领域中，指通信线路能够通过的信号频率范围，单位为赫兹（Hz）。

在计算机网络中，带宽通常被引申为通信线路的数据传输能力，即数字信道所能达到的 最大数据传输速率，其单位为比特每秒（b/s）。

如果家里的宽带带宽是 100Mb/s，表示网络在理想情况下，每秒最多可以传输 100MBit 的数据，相当于 12.5MB/s 的下载速度。

# 时延

时延（Delay）指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，它由 4 个部分构成：

1. 发送时延（传输时延）
   • 节点将分组的所有比特推向（传输）链路所需的时间；
   • 即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间；
   • 发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)
2. 传播时延
   • 电磁波在信道（传输介质）中传播一定的距离需要花费的时间；
   • 即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间；
   • 传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)
3. 处理时延
   • 数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。
   • 例如，分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。
4. 排队时延
   • 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
   • 路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

# 时延带宽积

时延带宽积（Bandwidth-Delay Product, BDP）指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度。

$$\mathrm{时延带宽积}=\mathrm{传播时延}\times\mathrm{信道带宽}$$

如下图所示，考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则 时延带宽积 表示该管道可以容纳的比特数量。

# 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理 说明了在 无噪声干扰、带宽有限 的理想低通信道中的数据极限传输速率。当实际传输速率小于等于该速率时，可以实现无码间串扰的数据传输。

核心思想：

即使在没有噪声的理想信道中，信道的带宽仍然限制了其数据传输能力。为了避免相邻码元之间的干扰（即码间串扰），每秒钟最多只能传输有限数量的码元，这个数量与带宽直接相关。

奈奎斯特用一个公式精确地描述了信道的极限传输速率：

$$C = 2W \times \log{2}{V}$$

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示无噪声条件下的最大传输速率；
• $W$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道允许通过的最高频率范围；
  • $2W$ 表示每秒最多传输的码元数 (波特率，Baud/s)；
• $V$ 是每个码元可采用的不同离散电平数量；
  • $\log{2}{V}$ 表示每个码元可以携带的比特数（因为 $V$ 种电平可以表示 $\log{2}{V}$ 比特信息）；

因此：在理想无噪声信道中，极限传输速率取决于带宽和码元的离散电平数。

• 带宽 $W$ 越大，单位时间内可传输的码元数越多；
• 每个码元的电平数 $V$ 越多，所携带的信息量越大。

# 香农定理

香农定理 说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于该速率时，可以做到不产生误差。

核心思想：

即使信道中存在噪声，只要信息传输速率低于某个极限值（即信道容量），就一定可以通过某种编码方式实现几乎无差错的传输。这个极限值取决于信道的带宽和信噪比。

香农用一个公式精确地描述了信道极限传输速率：

$$C = B \times \log{2}{(1+\frac{S}{N})}$$

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示信道理论上的最大传输速率。
• $B$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道可用的频率范围。
• $S$ 是信号功率，表示信号的强度。
• $N$ 是噪声功率，表示信道中噪声的强度。
  • $S/N$ 是信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），通常以线性形式表示（不是分贝 dB）。

因此：

• 带宽 $B$ 越大，信道容量 $C$ 越大：这意味着更宽的信道可以传输更多的数据。
• 信噪比 $S/N$ 越大，信道容量 $C$ 越大：这意味着信号相对于噪声越强，传输速率就越高。

# 编码和调制

在计算机网络中，编码 和 调制 是数据传输的两个关键过程，它们的目标都是为了让 数字信息（如二进制的 0 和 1 ）能够有效、准确地在 物理介质（如双绞线、光纤、无线电波等）上传输。

# 数字信号编码

编码（encoding）指的是把 数字信号（ 0 和 1 ）转换成适合在 传输介质 上传输的电信号或光信号。常见的编码方式有以下几种：

# 非归零编码

非归零编码 (Non-Return Zero, NRZ) 编码的原理是高电平表示 1 ，低电平表示 0 。

• 优点：实现简单
• 缺点：无法判断一位的开始与结束，例如：无法从持续的高电平中解析出 1 的个数，需要外加时钟信号

# 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码 (Manchester Encoding) 又称裂相码、双向码，是一种用电平跳变来表示 1 或 0 的编码方法。

每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，0 和 1 的相位正好相反。

由于曼彻斯特在每个时钟位都必须有一次变化，因此，其编码的效率仅可达到 50% 左右。

记忆方法：

• 在时钟周期内由高电平跳到低电平表示 1 ，由低电平跳到高电平表示 0 ；
• 每比特的周期 T 分为前 T/2 与后 T/2 两部分，前 T/2 传送该比特的原码，通过后 T/2 传送该比特的反码。

# 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester Encoding) 保留了曼彻斯特编码作为 “自含时钟编码” 的优点，仍将每比特中间的跳变作为同步之用，但是每比特的取值则根据其 相邻时钟周期间电平跳变的差异 来决定。

记忆方法：

• 电平变化与上一个时钟周期相反表示 1 ，与上一个时钟周期相同表示 0 ；
• 一个时钟周期开始处不发生跳变表示 1 ，开始处发生跳变表示 0 。

# 调制编码

调制 指的是把 编码后 的 数字信号 转换为 模拟信号（如正弦波），以适应 物理信道（如无线电波）的传输。

调制需要一种称之为载波信号的连续的、频率恒定的信号，载波可用 $A\cos(\omega t + \phi)$ 表示，通过调制载波的特性来对数字数据进行模拟转换。

1. 幅移键控法（Amplitude Shift Keying, ASK）
   • 按照数字信号的值来调制载波的振幅$A$
   • 即用载波频率的两个不同的振幅来表示两个二进制数字
   • 常见于光纤通信
2. 频移键控法（Frequency Shift Keying, FSK）
   • 按照数字信号的值来调制载波的频率$\omega$
   • 即用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值
   • 常见于低速无线通信、电话系统
3. 相移键控法（Phase Shift Keying, PSK）
   • 按数字信号的值来调制载波的相位$\phi$
   • 即利用载波的两个不同相位来表示两个二进制值。
   • 常见于高速无线通信，例如 Wi-Fi

# 交换方式

交换方式 是指在通信网络中，数据从发送方传输到接收方时，网络节点（如交换机、路由器）处理和转发数据的方式。它决定了数据传输的路径、资源分配和效率。交换方式是通信网络设计的核心，直接影响网络的性能、时延和资源利用率。

电路交换、报文交换 和 分组交换 是三种主要方式，其中分组交换又可以进一步分为 数据报和虚电路 两种方式

# 电路交换

电路交换（Circuit Switching）是一种传统的通信方法，在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用 (双方独占) 的物理通信路径 (由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)，该路径可能经过许多中间结点。

这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。因此，电路交换技术分为三个阶段：

1. 连接建立： 发送方发起请求，通过交换设备（如电话交换机）在网络中为通信双方寻找并分配一条固定路径，建立端到端的专用电路。这需要信令系统协调。
2. 数据传输： 电路建立后，数据（语音、视频等）通过这条固定路径连续传输。整个通信期间，路径保持独占，即使没有数据传输，资源也不会释放。
3. 连接释放： 通信结束后，发送方或接收方发出终止信号，交换设备拆除电路，释放占用的资源（如带宽、端口）供其他用户使用。

电路交换的典型应用是 传统电话网络（PSTN）。

优点：

1. 低延迟： 由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。当传输的数据量较大时，这一优点非常明显。
2. 稳定性： 一旦建立连接，通信是连续且稳定的。
3. 有序传输：双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
4. 没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
5. 适用范围广：电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。
6. 实时性强：通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信。
7. 控制简单：电路交换的交换设备 (交换机等) 及控制均较简单。

缺点：

1. 建立时延： 建立连接需要时间，初始延迟较高；平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
2. 资源浪费： 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
3. 灵活性差。只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的。
4. 难以规格化。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，也难以在通信过程中进行差错控制。

# 报文交换

报文交换（Message Switching）不需要建立专用路径，整个报文作为一个单元传输，节点存储并转发整个报文。

报文携带有目标地址、源地址等信息。

报文交换的过程：

1. 报文发送： 发送方将完整的数据消息（大小可变，可能包含文本、文件等）发送到网络中的第一个节点（通常是交换机或路由器）。
2. 存储转发： 每个节点接收整个报文，存储在缓冲区，检查目标地址后，选择下一跳节点转发。报文在网络中逐跳传输，直到到达接收方。
3. 接收与处理： 接收方收到完整报文后，进行处理或存储。

报文交换技术的优点如下：

1. 无须建立连接： 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可以随时发送报文。连接时延，用户可以随时发送报文。
2. 动态分配线路：当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去。
3. 提高线路可靠性：如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性。
4. 提高线路利用率：通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，因而大大提高了通信线路的利用率。
5. 提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的。

报文交换技术的缺点如下：

1. 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延 (包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）。
2. 报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。

# 分组交换

分组交换（Packet Switching）将数据分成小的分组（或数据包），每个分组独立传输，并可能通过不同路径到达目的地。其过程如下：

1. 数据分割： 发送方将消息拆分为多个分组，每个分组附带头部信息（如源地址、目标地址、序列号）。
2. 分组传输： 每个分组独立在网络中传输，节点（路由器）根据头部信息选择最佳路径，分组可能走不同路径到达目的地（动态路由）。
3. 存储转发： 每个节点接收分组，存储后快速转发到下一跳，分组大小小，处理速度快。
4. 重组与接收： 接收方收到所有分组后，根据序列号重新组装成原始消息。如果有分组丢失，可请求重传。