软考（网工）——数据通信基础

🕐信道特性

1️⃣概念

通信得目的就是传递信息。
通信中产生和发送信息得一端叫信源，接受信息的一段叫信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。

2️⃣信道带宽 W

模拟信道：W=f₂-f₁（f₂ 和 f₁分别表示：信道能通过得最高/最低频率，单位赫兹 Hz)。
数字信道：数字信道是离散信道，带宽为信道能够达到的最大数据传输速率，单位是 bir/s。

3️⃣码元和码元速率

在这里插入图片描述

4️⃣奈奎斯特定理

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5️⃣香农定理

在这里插入图片描述

6️⃣宽带/码元速率/数据速率关系梳理

🕑信道延迟

1️⃣概念

信道延迟：与**源端和宿端距离有关，也与信道中的信号传播速率**有关。
总延迟 = 线路延迟（源端和宿端距离） + 发送延迟（信道中的信号传播速率）
线路延迟 = 传输距离 / 传输速度（路上跑的时间）比如 1000 米电缆，延时为 5us
发送延迟 = 数据帧大小 / 速率（排队上车的时间）比如 100 m 线路，发送 1000 字节数据，延时为 1000 * 8 /（100 * 10⁶）= 8 * 10^-5s = 80us
光速为 300000km/s = 300m/us
电缆中传播速度一般为光速 67%，即 200000km/s = 200m/us
卫星信道的时延大约** 270ms**（来回双向的延迟 540ms)

2️⃣信道延迟计算

在 1000 米 100Base-T 线路上，发送 1000 字节数据，延时计算过程如下：

（1）换算单位：100Base-T 线路带宽是 100M，即 100Mbit/s = 100 * 10⁶bit/s, 1000 字节 = 1000 * 8bit。

（2）发送延迟：1000 * 8 bit /（100 * 10⁶bit/s） = 8 * 10^-5s = 80us。

（3）传输延迟：1000m /（200000km/s) = 5 * 10^-6s = 5us。

（4）数据延迟 = 发送延迟 + 传输延迟 = 80us + 5us = 85us。

🕒传输介质

1️⃣介绍

两个终端，用一条能承载数据传输的传输介质连接起来，就组成了一个最简单的网络。
有线传输介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。
无线传输介质分为无线电波、微波、红外线、激光。

无线电波：500kHz-1000Mhz，是能量最小、波长最高、频率最低的电磁波。用于广播电视和无线通信。
微波：300MHz-300GHz，是一种波长较低、频率较高的电磁波，特点是高频高能量。用于雷达、飞机导航。

2️⃣频谱资源划分

3️⃣双绞线

由多对绝缘铜导线凉凉相互缠绕而成。

缠绕目的：降低信号干扰的程度
数据传输 100M——用到 4 根，2 对（1、2、3、6）
数据传输 1000M——使用 8 根（全部使用）

🔴双绞线规格

TIA/EIA(电信工业协会/电子工业协会)定义的双绞线型号类型：

🟠非屏蔽双绞线 VS 屏蔽双绞线

非屏蔽双绞线（UTP）：

绝缘套管中无屏蔽层
价格低廉，用途广泛
企业、教育

屏蔽双绞线：

绝缘套管中外层由铝箔包裹，以减小辐射/干扰
价格相对较高，高要求场合应用
军队政府、医疗、航空航天（高精密场景）

4️⃣光纤概述

🔴光纤

利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理而达成得光传导工具。
光在管线中传导损耗很低，适合用作长距离的信息传递。
光线特点：重量轻、体积小、传输远（衰减小）、容量大、抗电磁干扰。

🟠光缆

光缆一般有多根管线和塑料保护套管及塑料外皮构成

通常看到工人铺设得黑色线缆叫做光缆，里面包含了多组光纤。

🟡光线分类

单模光纤
- 当光纤的几何尺寸可以与光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，一般为 5~10um.
- 光纤只允许一种模式在其中传播，单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量、长距离的光纤通信。（贵）

多模光纤
- 多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般为 50um、62.5um；允许多种模式光信号传播。
- 多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信。（便宜）

🟢单模多模光纤对比

🔵光接口与光模块

🟣单芯管线与单芯光模块

🟤光纤连接器

光线与光纤/光源之间的连接有两种方式
- 使用专用的设备将两根光纤熔接起来，主要用于光纤长度的延长
- 使用光纤连接器，用于光纤跳线或是不同光纤连接器的转换

⚫跳线与尾纤

双绞线跳线：带水晶头的网线
光纤跳线：带有连接器与保护层的光纤

🕓数据编码

1️⃣曼切斯特编码

曼切斯特编码是一种双相码，在每个比特中间均有一个跳变，第一个编码自定义，如下图有高电平向低电平跳变代表"0"，有低电平向高电平跳变代表"1"。
曼切斯特编码常用于于以太网中。

2️⃣差分曼切斯特编码

差分曼切斯特编码也是一种双相码，用在令牌环网中。
有跳变代表"0"，无跳变代表"1"。（有 0 无 1）
- 不是比较形状，比较的是起始电平（上一个的终止与下一个起点）

3️⃣两种曼切斯特编码的特此按

曼码与差分曼码是典型的双相码，双相码要求每一位都有一个点评转换，一高一低，必须翻转。
曼码和差分曼码具有自定时和检测错误的功能。
两种曼码优点：将时钟和数据包含在信号数据流中，也称同步码。
编码效率低：编码效率都是 50%。
两种曼码数据速率是码元速率的一半，当数据传输速率为 100Mbps 时，码元速率为 200M baud。

4️⃣其他编码

4B/5B：发下哦那个数据流每 4bit，先转换成 5bit，在转换为不归零码(NRZ-I），多一位用于解决同步问题。
各种编码效率
- 曼码：50%，用于以太网
- 4B/5B：80%，用于百兆以太网
- 8B/10B：80%，用于千兆以太网
- 64B/66B：97%，用于万兆以太网

🕔调制技术

1️⃣数字调制技术

数字数据不仅可以用脉冲传输，也可以用模拟信号传输。用数字数据调制模拟信号叫做数字调制。
- 幅度键控（ASK）：用载波的两个不同振幅表示 0 和 1。
- 频移键控（FSK）：用载波的两个不同频率表示 0 和 1。
- 相移键控（PSK）：用早搏的起始相位的变化表示 0 和 1。
- 正交幅度调制（QAM)：把两个幅度相同但相位差 90°的模拟信号合成一个模拟信号。
码元只取两个相位值叫 2 相调制，码元可取 4 个相位叫 4 相调制，则 N=2, N=4。
DPSK 是 2 相调制，N=2，QPSK 是 4 相调制，N=4。

🕕脉码调制 PCM

1️⃣脉冲编码调制 PCM

常用数字化技术就是脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation, PCM)，简称脉码调制。
PCM 数字化过程 3 个步骤：采样、量化和编码。
- 采样：按照一定的时间间隔多模拟信号进行取样，把模拟信号的当前值作为样本。
  - 奈奎斯特采样定理：如果模拟信号的最高频率为 f_max，若大于等于 2f_max 的采样频率对其进行采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
- 量化：把取样后得到的样本由连续值转换为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。
- 编码：把量化后的样本值变成相应的二进制代码。

2️⃣PCM 计算

对声音信号数字化时，由于语音最好频率是 4kHz，所以采样频率是 8kHz。对语音样本用 128 个等级量化，因而每个样本用 7bit 表示。在数字信道上传输这种数字化后的语音信号的速率是 7*8000=56Kbps。

🕖通信和交换方式

1️⃣数据通信方式

按通信方向分
- 单工通信：信息只能在一个方向传送，发送方不能接收，接收方不能发送（电视/广播）。
- 半双工通信：通信的双方可以交替发送和接收信息，但不能同时接收或发送（对讲机/Wi-Fi/Hub)。
- 全双工通信：通信双方可同时进行双向的信息传送（电话/交换机）。
按同步方式分：异步传输和同步传输
- 异步传输：把各个字符分开传输，在字符之间插入同步信息，典型的是插入起始位和停止位。HDLC 是典型的异步传输，HDLC 帧格式如下图所示，起始标志位和结束标志为都是"01111110"。异步传输的优点是是件简单，但引入了起止位，会影响传输效率，导致速率不会太高。

- 同步传输：发送方在传送数据之前，先发送一串同步字符串 SYNC，接收方检测到 2 个以上 SYNC 字符就确认已经进入同步状态，开始准备接收数据。<font style="color:#DF2A3F;">同步传输效率更高，在短距离高速数据传输中，大多采用同步传输方式</font>。

2️⃣数据交换方式

数据交换技术有三种：电路交换报文、交换和分组交换。
- 电路交换：将数据传输分为电路建立、数据传输、和电路拆除三个过程。在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直为用户完全占有。【代表：早期电话】
- 报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。报文中含有每一个下一跳节点，完整的报文在一个个节点间传送（数据不拆分）。【代表：早期电报】
- 分组交换：将数据拆分成很小的分组进行传送，包括：数据报和虚电路。【代表：互联网】
  - 数据报：每个分组被独立的处理，每个节点根据路由选择算法，被独立送到目的，路径和到达目的顺序都可能不一样。（IP）
  - 虚电路：在数据传送之前，先建立起一条逻辑上的连接，每个分组都沿着一条路径传输，不会乱序。（X.25、FR、ATM）
分组交换优势
- 减小了延迟，提高了吞吐量。
- 分组交换可以按分组纠错，发现错误只需重发出错的分组，通信效率提高。

🕗数字传输系统 E1/T1

1️⃣多路复用技术

多路复用技术是把多个低速的信道组合成一个高速的信道的技术。
光纤入户：上网、电视、电话。
这种技术要用到两个设备：
- 多路复用器，在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号符合成一个高带宽的信号。
- 多路分配器，在接收端根据统一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。
- 多路复用器和多路分配器同城多路器，简写 MUX。

2️⃣频分复用

3️⃣时分复用

4️⃣波分复用

5️⃣E1 和 T1

漂亮国和小日子使用 T1 标准，每路电话 64k。T1 = 64k * 24 + 开销与间隔 = 1.544M
欧洲采用 E1 标准，每路电话 64k，传 30 路电话，2 路开销。E1 = 64k * 30 + 64k * 2 = 2.048M
ITU-T 标准 E1 信道数据速率是 2.048Mbps，把 32 个 8 位一组的数据样本组装成 125us 的基本帧，其中 30 个子信道用于语音传达，2 个子信道（CH0 和 CH16）用于控制信令。

6️⃣同步数字序列

🕘海明码纠错码

1️⃣差错控制

数据传输中出现错误不可避免，因此需要采用差错控制方法。数据通信中常用的办法是检错和纠错。
- 检错：接收方知道有差错发生，但不知道是怎样的差错，像发送方请求重传。
- 纠错：接收方知道有差错发生，而且知道是怎样的差错。
- 差错控制原理：传输 k 位，加入 r 位冗余（某种算法定义），接收方收到进行计算比较。

2️⃣奇偶校验

奇偶校验是最常用的检错方法，能检出一位错位。
原理：在 7 位 ASCII 码后增加一位，使码字中 1 的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。
奇校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中"1"的个数为奇数 1011 010 [1]
偶校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中"1"的个数为偶数 1011 010 [0]

3️⃣海明码

海明码是通过冗余数据为来检测和纠正差错的编码方式。
海明距离（码距）：一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数（两个码字之间不同的比特数）。

4️⃣海明码原理

海明码原理
- 在数据中间加入几个校验码，码距均匀拉大，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。
海明不等式
- 校验码个数为 k，可以表示 2^k 个信息，1 个信息用来表示”没有错误“，其余 2^k-1 个表示数据中存在错误，如果满足 2^k-1 >= m+k（m 为信息为，m+k 为编码后的数总长度），则在理论上 k 个校验码就可以判断是哪一位出现了问题。

5️⃣海明编码

第 2i（i = 0，1，2，3……）位是校验位，其余位存放数据。
- 假设传送信息 1001011，把数据放在 3，5，6，7，9，10，11 位置，1，2，4，8 留作校验位。

校验位与数据位的关系
- 3=2+1 5=4+1 6=4+2 7=4+2+1 9=8+1 10=8+2 11=8+2+1
- 则 3，5，7，9，11 号位参加第 1 位校验，若按偶校验计算，1 号位应为 1。

类似 3，6，7，10，11 号位参加 2 位校验，5，6，7 号位参加 4 位校验，9，10，11 号位参加 8 位校验，全部按照偶校验计算，最终得到：

如果这个码字传输中 6 号位出多，即变成：

当接收端按照同样规则计算出奇偶位时，发现 1 和 8 号位的奇偶性正确。
2 和 4 号位的奇偶性不对，于是 2+4=6，立即可确认错在 6 号位。
- ACK1 = 3, 5, 7, 9, 11 ACK8 = 9, 10, 11
- ACK2 = 3, 6, 7, 10, 11 ACK4 = 5, 6, 7