计软杂谈学习笔记
  • 是其他层建立的基础
  • 电线、光纤和无线的介质特性限制了网络的功能
  • 关键问题是只使用（模拟）信号发送（数字）位，也就是调制

数据和信号

数据

  • 模拟数据（analog data）指的是连续的信息
  • 数字数据（digital data）是指具有离散状态的信息

信号

  • 模拟信号（analog signal）在一段时间内具有无限多个强度级别
  • 数字信号（digital signal）只能有有限数量的定义值
  • 周期信号（periodic signal）在可测量的时间范围内完成一个模式，称为周期，并在随后的相同周期内重复该模式
    • 简单的周期性模拟信号（正弦波）不能分解为更简单的信号。正弦波由其振幅、频率和相位来定义
    • 复合周期模拟信号由多个正弦波组成
  • 非周期性信号（non-periodic signal）在不显示随时间重复的模式或周期的情况下发生变化
    • 大多数数字信号是非周期性的，因此不适合用周期和频率来描述

链路传输术语

  • 单工（simplex）
  • 半双工（half-duplex）
  • 全双工（full-duplex）
  • 并行传输（Parallel Transmission）
  • 串行传输（Serial Transmission）
    • 异步传输（Asynchronous Transmission）
      • 异步传输中，在每个字节的开头发送一个起始位（0），在结尾发送一个或多个停止位（1）。字节之间可能有间隙
      • 异步在这里意味着“字节级异步”，但位级仍然是同步的；它们的持续时间是相同的
      • 信号的时序并不重要
    • 同步传输（Synchronous Transmission）
      • 在同步传输中，我们一个接一个地发送位，没有起始或停止位或间隙。接收机负责对位进行分组
      • 信号的时序非常重要

数据通信的理论基础

傅里叶变换

  • 时域如果周期，则频域离散
  • 时域如果非周期，则频域连续
  • 时域如果连续，则频域非周期
  • 时域如果离散，则频域周期

带宽有限的信号

  • 基于傅立叶分析，数字信号是一种复合模拟信号。带宽是无限的
  • 对于电气工程师来说，（模拟）带宽是频率范围，以Hz为单位
  • 对计算机科学家来说，（数字）带宽是信道的最大数据速率，以bits/s为单位

信道的最大数据速率

  • 奈奎斯特定理（Nyquist’s theorem）将数据速率与无噪声信道的带宽（B）和信号电平数（V）联系起来：
    • Max. data rate = 2B log2V bits/sec
  • 香农定理（Shannon’s theorem）将数据速率与带宽（B）和信号强度（S）与噪声（N）联系起来：
    • Max. data rate = B log2(1 + S/N) bits/sec
    • 如果SNR单位为dB则需要进行换算：
      • S/N(dB)=10log10(S/N)(~)

引导性传输介质

介质具有不同的属性，因此性能不同

  • 存储介质
  • 电线
    • 双绞线
    • 同轴电缆
    • 电力线
  • 光缆

存储介质

  • 通过磁带/磁盘/DVD发送数据以实现高带宽链路
    • 邮寄一个装有1000个 800 GB磁带（6400 TB）的盒子
    • 发送需要一天时间（86400秒）
    • 数据速率为70 Gbps。
  • 数据速率比远程网络快
  • 消息延迟非常差

双绞线（Twisted Pair）

  • 非常普遍；用于局域网、电话线
  • 扭转减少辐射信号（干扰）

同轴电缆（Coaxial Cable）

  • 常见，比双绞线具有更好的屏蔽效果和更大的带宽，适用于更长的距离和更高的传输速率

电力线（Power Lines）

  • 使用方便，但目前不适合用于发送数据

光缆（Fiber Cables）

  • 适用于高速率和长距离
    • 远程ISP链路，光纤到户（FttH）
    • 光线通过一条很长很细的玻璃线传输
  • 光纤具有巨大的带宽（THz）和微小的信号损耗，因此在长距离内传输速率很高
  • 单模（Single-mode）
    • 核心狭窄（8-10微米），光线无法反弹
    • 用于长距离传输（100km）
  • 多模（Multi-mode）
    • 光可以反弹（50微米核心）
    • 与LED一起使用，用于更便宜、更短距离的链路

无线传输

  • 频率和波长存在如下关系
    • λf=c（3x108 m/s）
    • Δf=cΔλ/λ^2

无线电传输

  • 无线电信号能很好地穿透建筑物，并在路径损耗（path loss）的情况下长距离传播
  • 在VLF, LF，和MF波段，无线电波沿着地球的曲率传播
  • 在HF波段，无线电波将从电离层反弹

微波传输

  • 微波具有很高的带宽，广泛应用于室内（WiFi）和室外（3G、卫星）
  • 信号会被日常物体衰减/反射
  • 由于多径衰落（multipath loss）等原因，强度随移动而变化

光通信

  • 视线灯（非光纤）可用于链路
  • 光线方向性强，带宽大
  • LED/摄像机和激光器/光电探测器的使用

通信卫星

  • 地球静止轨道（GEO）
    • VSAT（微型站）可以借助中继站（hub）进行通信
    • 使用GHz中的不同频带（L、S、C、Ku、Ka），但可能拥挤或易受雨水影响
  • 中地球轨道（MEO）
  • 低地球轨道（LEO）
    • 铱星等系统使用许多低延迟卫星进行覆盖，并通过它们路由通信

数字调制和多路复用

数字调制将比特作为信号发送；多路复用在用户之间共享信道

基带传输（Baseband Transmission）

  • NRZ（Non-Return-Zero）是最简单的线路码（+1V=“1”，-1V=“0”）
    • Unipolar NRZ（普通NRZ）
    • Polar RZ（-1V->0V=“0”，+1V->0V=“1”）
    • Polar NRZ-I（不变=“0”，±1V跳变=“1”）
  • 曼彻斯特编码（Manchester）
    • Manchester
    • Differential Manchester（差分曼彻斯特）
  • 双极（Bipolar）
    • AMI
    • 伪三进码（pseudoternary）
  • 多电平（Multilevel）
    • 2B1Q
    • 8B6T
    • 4D-PAM5

好的线路编码方案准则

  • 带宽效率
  • 直流分量
    • 当数字信号中的电压电平在一段时间内保持恒定时，频谱会在零点附近产生非常低的频率（傅里叶分析的结果），这给无法通过低频的系统带来了问题
    • DC分量表示可能导致基线漂移的0/1奇偶校验，即0或1的长串可能导致基线漂移，并使接收器难以正确解码
  • 时钟恢复/自同步
    • 自同步数字信号包括正在传输的数据中的定时信息
    • 如果信号中存在向接收器提示脉冲开始、中间或结束的过渡，则可以实现这一点

时钟恢复

  • 策略：
    • 曼彻斯特编码，在每个符号中混合时钟信号
    • 4B/5B用1和0将4个数据位映射为5个编码位：
    • 带伪随机位的扰码（scrambling）异或（XORing）发送/接收数据

通带传输（Passband Transmission）

  • 调制载波信号的振幅、频率/相位可在非零频率范围内发送数据
  • 幅移键控（Amplitude Shift Keying ASK）
  • 频移键控（Frequency Shift Keying FSK）
  • 相移键控（Phase Shift Keying PSK）
  • BPSK 2 symbols 1 bit/symbol
  • QPSK 4 symbols 2 bit/symbol
  • QAM-16 16 symbols 4 bits/symbol
  • QAM-64 64 symbols 6 bits/symbol

BPSK/QPSK仅仅改变相位
QAM既改变相位又改变振幅

  • 使用格雷码进行映射，减少错误

频分复用（Frequency Division Multiplexing FDM）（模拟）

  • 频分多路复用
  • 通过将用户置于不同的频率上来共享信道
  • OFDM（正交频分复用）是一种高效的FDM技术，用于802.11、4G蜂窝和其他通信
    • 子载波在频域中被紧紧包裹在一起

时分复用（Time Division Multiplexing TDM）（数字）

  • 时分多路复用随时间共享一个信道
    • 用户按照固定的时间表轮流使用；注意和分组交换或STDM（统计时分复用）相区别
    • 广泛应用于电话/蜂窝系统

码分多址（Code Division Multiple Access CDMA）

  • CDMA通过给用户一个编码来共享信道
    • 编码是正交的，可以同时发送
    • 广泛用作3G网络的一部分

公共电话交换网络

本地回路 调制解调器

  • 电话调制解调器通过3.3 KHz模拟语音信道接口向POTS发送数字数据
    • 速率<56kbps；早期连接到Internet的方法

数字用户线

  • DSL宽带使用POTS不使用的频率通过本地环路向本地端局发送数据
  • 电话/计算机连接到相同的旧电话线
  • 速率因线路而异
    • ADSL2高达12 Mbps
  • 对于ADSL2，OFDM的使用频率高达1.1MHz
    • 大部分带宽用作下行

光纤到户

  • FTTH宽带依靠光纤电缆的部署为客户提供高数据速率
  • 一个波长可以在许多房屋中共享
  • 光纤是无源的（无放大器等）

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation）

  • 将模拟信号转换为数字数据（数字化）的最常用技术称为脉冲编码调制（PCM）

奈奎斯特采样定理

  • 根据奈奎斯特定理，采样率必须至少是信号中包含的最高频率的2倍

注意：最高频率不是带宽

  • 如果模拟信号是低通的，则带宽和最高频率是相同的值
  • 如果模拟信号是带通信号，则带宽值低于最大频率值

中继线和多路复用（Trunks and Multiplexing）

TDM

  • 呼叫使用TDM在公共交换电话网络（PSTN）中继线上以数字方式进行传输
  • 一个呼叫是一个每125μs 8bits（64 kbps）的PCM采样
  • 传统T1载波有24个呼叫通道，每个通道125μs（1.544 Mbps），带有基于AMI的符号

SONET

  • SONET（同步光网络）是在光中继上传输数字信号的全球标准
  • 保持125μs帧；基准帧为810字节（52Mbps）
  • 有效载荷在框架内“浮动”，以实现灵活性

交换

  • 电路交换（circuit switching）
  • 分组交换（packet switching）
    • 虚电路（virtual-circuit）
    • 数据报（datagram）
  • 报文交换（message switching）
  • PSTN采用电路交换；因特网使用分组交换
  • 电路交换在进行数据流动前需要连接建立，在数据流动结束后需要连接释放
  • 分组交换独立对待每一个包
    • 无需建立连接，但在路由器上可能会有不同的队列延迟（queuing delay）

分组时延

来源

  • 处理时延（processing delay）
    • 检查位错误
    • 确定输出链路
  • 排队时延（queueing delay）
    • 输出链路等待传输
    • 路由器的拥塞级别
  • 发送（传输）时延（transmission delay）
    • R=链路带宽（bps）
    • L=数据包长度（bits）
    • 发送时延=L/R
  • 传播时延（propagation delay）
    • d=物理链路的长度
    • s=介质中的传播速度（~2x10^8 m/s）
    • 传播时延=d/s
  • 如果一个报文被分解为N个包，每个包传输时间为1/N分钟，则总共传输时间为2/N+(N-1)/N分钟