計算機網路 ——物理層資料通訊技術

一、資料通訊的基礎知識

1. 資料(data)——資訊的實體。 模擬資料：連續變化，如語音，溫度等； DATA 數字資料：離散變化，如文字，整數等。

2. 訊號(signal)——資料的電氣的或電磁的表現。 “模擬的”(analogous)——連續變化的。 “數字的”(digital)——取值是離散數值

3. 資訊(information)——資料的內容/內涵。 信源——產生和發生資訊的裝置（計算機）。 信宿——接收和處理資訊的裝置（計算機） 通道——用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。 因此一條通訊電路往往包含一條傳送通道和一條接收通道。 數字通道——採用數字訊號傳輸資料的通道。 模擬通道——採用模擬訊號傳輸資料的通道。

4. 基帶訊號和寬頻訊號 基帶訊號：就是將數字資料 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然後送到線路上去傳輸。 寬頻訊號：則是將基帶訊號進行調製後形成的頻分複用模擬訊號。 這樣由於每一路基帶訊號的頻譜被搬移到不同的頻段，因此合在一起後不會相互干擾，從而可在一條電纜中同時傳送許多路的數字訊號，提高利用率。

5. 基帶傳輸和寬頻傳輸 基帶傳輸：數字訊號在數字通道上傳輸； 使用的數字訊號不是簡單的基帶訊號，而是按照一定的編碼後變成對應的物理訊號線上路上傳輸，到了接收端再進行解碼（是線路編碼或訊號編碼，與文字、語音和影象的編碼（信源編碼）不同）。 頻帶傳輸：數字資料藉助於模擬通道傳輸。 這樣可以利用已有的非常普遍的模擬電話網，必須使用調製，將數字資料轉換為模擬訊號傳送，到了接收端再進行解調。 基帶傳輸和頻帶傳輸最大的區別就是要不要經過調製，通俗點就是需要不需要調變解調器。 效能指標和傅立葉分析

6. 資料通訊系統的效能指標 (1)時延：時延指一個數據塊（幀、分組、報文段）從鏈路或網路的一端傳送到另一端所需要的時間. 報文(message)是網路中交換與傳輸的資料單元，即站點一次性要傳送的資料塊。報文包含了將要傳送的完整的資料資訊，其長短很不一致，長度不限且可變。 大多數計算機網路都不能連續地傳送任意長的資料，所以實際上網路系統把資料分割成小塊，然後逐塊地傳送，這種小塊就稱作分組(packet)。也有些書籍把分組定義為網路層的協議資料單元。 (2)傳送時間：資料塊長度/資訊傳輸速率 傳播時延：通道長度/電磁波在通道上的傳播速率 轉發時延：中間結點轉發資料引起的時延。 總時延＝ 傳送時間＋傳播時延＋轉發時延。 (3)時延頻寬積

   時延頻寬積＝傳播時延 × 頻寬 （位元） 對於一條正在傳送資料的鏈路，只有在代表鏈路的管道都充滿位元時，鏈路才得到充分的利用。 (4)RTT（往返時延） RTT：從傳送端傳送資料開始，到傳送端收到來自接收端的確認（接收端收到資料後立即傳送確認），總共經歷的時延。

7. “壓迫”訊號的“三座大山” 時延（transmission delay） 衰減（attenuation） 噪聲（noise）訊號取均值的時候引入了 量化噪聲

8. 頻寬 （1）通道的頻寬 數字訊號的傳輸可以看成是無限個傅立葉分量構造成的訊號在通道中傳輸。 傳輸的質量主要受衰減、失真等因素影響。 但實際上，所有的傳輸設施對於不同的傅立葉分量的影響並不相同，因此會導致訊號變形。 在傳輸過程中，振幅（能量）不會明顯減弱的這一段頻率範圍成為頻寬 此時強調的頻寬是 通道的頻寬； 通道的頻寬越高，傳輸訊號的能力越強。 （2）資訊傳輸速率 就是計算機網路的頻寬，指計算機網路可通過的最高資料率，即每秒多少位元。單位為位元/秒，即b/s，又稱位元率（bps）。 通常所說的100兆的乙太網其資訊傳輸速率就是100M/s，這裡包括傳輸的淨荷以及為控制傳輸所附加的資訊。 電話線可以傳送計算機資料，不過頻寬有限。因為電話線主要用於傳輸人的語音的模擬訊號。

9. 寬頻 寬頻線路：可通過較高資料率的線路 寬頻是相對的概念，並沒有絕對的標準。 在目前，對於使用者接入到因特網的使用者線來說，每秒傳送幾個兆位元就可以算是寬頻速率。 寬頻傳輸：計算機向網路傳送位元的速率較高。 寬頻線路：每秒有更多位元從計算機注入到線路。寬頻線路和窄帶線路上位元的傳播速率是一樣的。 就像運貨，車速一樣，車距縮短。 通訊線路上通常都是序列傳輸

10. 碼元傳輸速率 碼元：一個離散訊號（電壓）狀態或訊號事件 碼元傳輸速率B（訊號速率、調製速率） 定義：每秒傳輸的碼元數 單位：波特（Baud)

11. 奈氏(Nyquist)準則奈奎斯特（理想狀態下，就是沒有噪聲干擾） 理想低通訊道的最高碼元傳輸速率 = 2H Baud。 實際的通道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯地低於奈氏準則給出上限數值。

辨析： 波特(Baud)和位元(bit)是兩個不同的概念。 波特是碼元傳輸的速率單位（每秒傳多少個碼元）。 碼元傳輸速率也稱為調製速率、波形速率或符號速率。 位元是資訊量的單位。

資訊的傳輸

1. 資訊傳輸速率C（資料傳輸速率） 定義：每秒傳輸的位元數 單位：位元/秒（bps、b/s、bit/s） 兩者的關係：C＝B×log2V(bps) V：一個碼元所取得有效離散值個數

2. 通道的極限資訊傳輸速率 夏農(Shannon)用資訊理論的理論推匯出了頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限、無差錯的資訊傳輸速率。（白噪聲(white noise)是指功率譜密度在整個頻域內均勻分佈的噪聲。 所有頻率具有相同能量密度的隨機噪聲稱為白噪聲。從我們耳朵的頻率響應聽起來它是非常明亮的"噝"聲(每高一個八度，頻率就升高一倍。因此高頻率區的能量也顯著增強)）

3. 通道的極限資訊傳輸速率 C 可表達為（不針對基帶訊號） • C = H log2(1+S/N) b/s (S / N )dB *10 *log10 (S / N ) H 為通道的頻寬（以 Hz 為單位） S 為通道內所傳訊號的平均功率 N 為通道內部的高斯噪聲功率。

通道的頻寬或通道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高。 只要資訊傳輸速率低於通道的極限資訊傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。 若通道頻寬 H 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際通道不可能是這樣的），則通道的極限資訊傳輸速率 C也就沒有上限。

4. 資料的傳輸方式 （1）單工、半雙工和全雙工 單工傳輸：在一個單一不變的方向上進行資訊傳輸的通訊方式，只有一個方向不變的單向通道連線了兩個裝置。 半雙工傳輸：通訊的雙方都可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送(當然也就不能同時接收)。 全雙工傳輸：（全雙工通訊）——通訊的雙方可以同時傳送和接收資訊。兩裝置之間存在兩條不同方向的資訊傳輸通道，可以同時在兩個方向上傳輸資料。 （2）序列通訊和並行通訊 計算機網路中的通訊方式是序列通訊！ （3）同步序列傳輸和非同步序列傳輸 同步序列傳輸：以時鐘訊號線對傳輸的資料線上的訊號進行位元同步，以資料塊（幀或分組）為單位傳輸。 非同步序列傳輸：獨立時鐘，無須同步。以字元為單位進行傳輸。傳送兩個字元之間的間隔是任意的，接收方依靠字元中的起始位和停止位來同步。
5. 調製解調技術 （1）調變解調器的作用 調變解調器(modem)包括： 調製器(MOdulator)：把要傳送的數字訊號轉換為頻率範圍在 300~3400 Hz 之間的模擬訊號，以便在電話使用者線上傳送。 解調器(DEModulator)：把電話使用者線上傳送來的模擬訊號轉換為數字訊號。 本課中的調變解調器是指使用在標準的二線模擬話路（3.1 kHz 的標準話路頻寬）上的調變解調器 調製器的主要作用就是個波形變換器，它把基帶數字訊號的波形變換成適合於模擬通道傳輸的波形。解調器的作用就是個波形識別器，它將經過調製器變換過的模擬訊號恢復成原來的數字訊號。 （2）幾種最基本的調製方法 最基本的二元制調製方法有以下幾種： 調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字訊號而變化。 調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字訊號而變化。 調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化。
6. 調變解調器的速率 目前調變解調器的資訊傳輸速率已很接近於夏農的通道容量極限了。要提高資訊傳輸速率，只能設法提高信噪比。在電話的使用者線上，最大的噪聲來自模擬到數字的模數轉換所帶來的量化噪聲。

PSTN:公共交換電話網路

#ISP(Internet Service Provider)，網際網路服務提供商 （v90下載速度快的原因，後來差不多了） #在光纖通訊系統中，光纖中傳輸的是二進位制光脈衝“0”碼和“1”碼，它由二進位制數字訊號對光源進行通斷調製而產生。而數字訊號是對連續變化的模擬訊號進行抽樣、量化和編碼產生的，稱為PCM（Pulse-code modulation），即脈衝編碼調製。

編碼解碼技術

1. 為什麼數字資料不直接使用基帶訊號在物理通道上傳輸，而要按一定的方式編碼之後再進行傳輸呢？ 編碼更有利於在接收端區分0和1； 編碼可以在傳輸訊號中攜帶時鐘，便於接收端提取定時時鐘訊號； 採用合理的編碼方式，可以適合通道的傳輸特性，充分利用通道的傳輸能力.
2. 通道複用技術 頻分模擬，時分數字，微觀序列，巨集觀並行 通道複用即頻分複用(FDM，Frequency Division Multiplexing)，就是將用於傳輸通道的總頻寬劃分成若干個子頻帶(或稱子通道)，每一個子通道傳輸1路訊號。

時分複用系統的應用 脈衝編碼調製(Pulse Code Modulation,PCM) TDM就是時分複用模式

3. 同步光纖網 SONET 和同步數字系列 SDH 9.2.1標準： 1985年，Bellcore提出SONET（Synchronous Optical NETwork）標準。 1989年，CCITT提出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）標準，與 SONET 有微小差別。 SONET主要用於北美和日本，SDH主要用於歐洲和中國。 SONET/SDH，採用TDM技術，是同步系統，由主時鐘控制，時鐘精度10-9。 9.2.2基本sonet幀 •810 位元組/125us，所以傳輸速率為 810  8 /（125  10-6）=51.84 Mbps 基本SONET通道稱為STS-1（Synchronous Transport Signal-1） 同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第 1 級同步傳送訊號 STS-1 (Synchronous Transport Signal) 的傳輸速率是 51.84 Mb/s。 光訊號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。

有向傳輸介質

雙絞線 遮蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無遮蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜 50同軸電纜 75同軸電纜 光纜 單模光纖 多模光纖

無線/移動通訊技術概論

1. 第一代行動通訊： LMR :Land Mobile Radio（Push to Talk System) 結構：發射器，若干對講機 技術特點：頻率專用，單一頻率 IMTS :Improved Mobile Telephone System 結構：發射器，若干行動電話 特點：使用了雙頻率（上行和下行），頻率不是專用。利用FDM劃分了通道，按需分配 AMPS:（Advanced Mobile Phone System） 對IMTS的改進 降低發射器的功率，從而縮小了小區的面積； 增加一個地區劃分小區的數量，從而增加了總的使用者數量
2. 第二代行動通訊 數字語音 基本接入方法 FDMA TDMA CDMA分頻多重進接(frequency division multiple access, FDMA) 聲碼器的使用 不用於PCM
3. 碼分複用 CDMA 常用的名詞是分碼多重進接CDMA (Code Division Multiple Access)。 •各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不 會造成干擾。 •這種系統傳送的訊號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。 3.1每一個位元時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip) 每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。 3.2兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積(inner product)都是 0： 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1 。

GSM：全球移動通訊系統(Global System for Mobile communications) 1.通話質量。CDMA的通話質量要高於GSM，在相同環境下打電話，CDMA的雜音要比GSM小很多。 2.手機輻射。由於CDMA採用了出色的功率控制技術，因此CDMA手機的輻射要比GSM小很多。 高速資料上網。CDMA1x可以提供高達153.6kbps的上網速率，比GSM GPRS的20幾k要快多了。

4. 第三代行動通訊 •IMT2000 International Mobile Telecommunication 2000,其中2000的含義有三個:在公元2000年左右開始使用;在2000MHz左右的頻率上使用;支援的業務速率可以達到2Mbps以上。 •兩個標準 WCDMA CDMA2000 •WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access(寬頻分碼多重進接)的英文簡稱，是一種第三代無線通訊技術。國際電信聯盟最終接受WCDMA作為IMT-2000 3G標準的一部分。CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000) 是一個3G移動通訊標準，國際電信聯盟ITU的IMT-2000標準認可的無線電介面，也是2G CDMAOne標準的延伸。 •折衷方案GPRS 3G •通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，縮寫GPRS。也是第一代移動通訊技術的代表。 第四代行動通訊 LTE •UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系統的廣泛應用滿足了使用者對資料業務的需求，有效提高了通話質量和資料速率。

交換

1. 電報網的定義 文字資訊＋二進位制編碼＋數字傳輸＋報文交換； 報文交換的關鍵技術：編址 路由 儲存轉發 跳躍數（分組資料包在網路中從一個路由器或中間節點到另外的節點的行程）
2. 電話網和電路交換 “交換”(switching)的含義是：轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通訊資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。 電路交換的特點 電路交換必定是面向連線的。 電路交換的三個階段：建立連線 通訊 釋放連線
3. 分組交換 在傳送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的資料段。每一個數據段前面新增上首部構成分組，分組交換網以“分組”作為資料傳輸單元。依次把各分組傳送到接收端（假定接收端在左邊） 每一個分組的首部都含有地址等控制資訊，分組交換網中的結點交換機根據收到的分組的首部中的地址資訊，把分組轉發到下一個結點交換機。用這樣的儲存轉發方式，分組就能傳送到最終目的地 接收端收到分組後剝去首部還原成報文。 3.1節點交換機 在結點交換機中的輸入和輸出埠之間沒有直接連線 結點交換機處理分組的過程是： 把收到的分組先放入快取（暫時儲存）；查詢轉發表，找出到某個目的地址應從哪個埠轉發；把分組送到適當的埠轉發出去 3.2主機和交換機 主機是為使用者進行資訊處理的，並向網路傳送分組，從網路接收分組。 結點交換機對分組進行儲存轉發，最後把分組交付給目的主機。 3.3優點 高效靈活快速可靠 3.3問題 分組在各結點儲存轉發時需要排隊，這就會造成一定的時延。 分組必須攜帶的首部（裡面有必不可少的控制資訊）也造成了一定的開銷