数据传输的基本概念

通信：两个有距离的点之间的信息传输
消息：具体的传输的内容
信号：可以表述为关于时间的函数
信道：传输信息的介质
带宽：未被强烈衰减的频率范围的宽度
信道容量：信道的最大数据率
吞吐量：网络容量的度量，单位时间内网络可以传输的数据位数(bps)
负载：单位时间内注入网络的数据位数(相当于数据量对时间的导数)
误码率BER(bit error rate)：信道传输可靠性指数 $传输错的位数总位数$
时延：从向网络中发送数据块的第一位开始，到最后一位数据被接收所经历的时间
时延的组成：包括发送时延，传输时延，节点处理时延（不关心），排队时延（不关心）
时延的计算是一个重点，这里就前两个时延展开讨论：发送时延指的是设备发送一个数据块所需的时间，传输时延指的是通过介质传播的时间
我们所谓的带宽，用来衡量的就是发送时延。发送时延=带宽/数据长度
发送时延 = 介质长度/传播速率
带宽时延积：充满整个链路的比特数，可以理解为把水管充满所需要的水
计算公式： $传播时延带宽$
我对于这个公式的理解是：这个公式的计算是基于时间的。对于整个传播时延的时间，我总共发出的所有比特数，就是充满整个链路的比特数。换句话来说，这个公式的根基在于，传播速度是恒定不会变化的。（可以类比水管的想法，如果水速变了，那么就不能基于时间来考量而是基于距离了)
单工：传输只能单向
半双工：可双向，但同一时间只能发或者只能收，不能同时收发
全双工：可同时收发

带宽

带宽是数据传输中极其重要的一个概念。它主要描述的是一个范围，是频率所允许的范围。对于不同的传输模式，带宽的单位也有所不同。对于模拟信号，带宽的单位是Hz，对于数字信号，带宽的单位是bps，即bit per second.
其实这两者本来是没有任何关联的，实际上，带宽最开始的定义就是频率的宽度。但是，对于一个宽度来说，存在调制的极限，使得它存在一个最大的传输速率的上限，通过这样的关联，我们就可以把模拟意义上的带宽转化为数字意义上的传输速率了。

比特率和波特率的互化

比特率：bps，每秒传输的比特数
波特率：Baud，每秒传输的信号单元的个数。
由于每个信号单元可表示的比特数可能很多，以下图为例子图片描述
所以，波特率相比比特率更加“底层”一些，它考虑了调制技术的影响。
由于以上，我们也得出了本文的第一个公式——比特率和波特率的互化

这个公式表明比特率实际上是将调制技术透明处理过后的数据速率的一种表示。
另外，波特率一般和采样速率是直接相等的关系，需要注意题目条件。

数据传输的理论基石

傅里叶变换

图片描述
大概理解就是能够把任意的一个信号（关于时间的函数）转化为无穷级数之和。然后做成分分析。
它的总能量可以被写为是，通常，随着频率的升高，一般来说和会变小，俗称频率越高，能量越小。

无噪信道的传输能力

对于无噪信道，我们可以利用hz单位的带宽，推出其bps的传输能力。所利用的是奈奎斯特公式，如下所示：

根据这个理论，只要我一个信号单元的bit表示数足够大，那么我的传输能力可以到无限大。但是，实际上这是不可能的，因为我们的调制技术有限，无法分辨那么小的差距。所以这个公式一般用处不大。

有噪信道的传输能力——香农公式

对于有噪信道来说，很容易想到的是，我们的传输能力和噪声的大小呈反比。而且，最重要的是噪声在整个传输过程中的占比。所以我们引出信噪比(SNR)的概念。

其中S代表信号功率，N代表噪声功率，二者单位都为瓦(Watt)。这个公式计算出的单位是db（分贝）
由此引出我们的香农公式：
例题：
图片描述

有线传输介质

Twisted Pair双绞线

两根通电铜导线拧合在一起；（使两根通电导线产生的磁场相互抵消）
既能传模拟信号（电话线），又能传数字信号（以太网）；
拧得越紧，辐射强度越小，抗干扰能力越强；
UTP(Unshielded TP) and STP(Shielded TP)；（有屏蔽的双绞线多了一个Metal Shield，能减少向外辐射，减少衰减，增强抗干扰能力）
Catogory（越大带宽也高）；

Coaxial Cable同轴电缆

better shielding and greater bandwidth；（带宽大于双绞线）
粗缆和细缆
- 50-ohm cable：基带同轴（电话交换机，早期用在以太网上）；
- 70-ohm cable：宽带同轴（适合传输模拟信号，比如电视网）；
抗干扰能力也比较强；

Fiber Optic光纤

利用了光的全反射；
一般是好几根固定在一起作为一根；
我们称一种入射角度为一个模：
- Multimode多模光纤：有多种入射角；
- Single-mode单模光纤：只有一种入射角；（光线相互之间干扰很小，带宽更宽）
光纤的工作窗口：对应波长/频率的光波适合在这个光纤内传输，损失最小；

卫星传输

卫星传输的本质可以理解为一个放置于天空的大型的中继器。好处在于在覆盖范围内，接入设备的数量和成本不成正比，可以服务于大片设备。
利用了微波按直线传输的特性。
按照范艾伦辐射带分为了三层，近地轨道，中层轨道和高轨卫星。
其中高轨卫星是和地球自转同步，因此又称同步卫星。
图片描述

数字调制技术和复用技术

基带传输

基带传输就是把数据编码为0和1的方波，然后把这个方波直接传输到信道上，不进行任何的处理。主要面向以太网等有线低误码率的传输场景。
因此，我们首要的就是要对数据编码。对于数据的编码方面，我们主要只关注两个编码方式
- NRZ码：即不归零码。如下所示图片描述
- 曼彻斯特编码：按照上升沿/下降沿的方式编码0/1

编码格式的评价指标

时间同步

由于我们的接收方，必须知道一个信号什么时候开始和什么时候结束，才能正确的对数据进行解码。因此我们需要把时钟信号进行同步，同步的方法有：
- 单独发一个时钟信号
- 将时钟信号和数据信号混合

带宽效率

由于带宽是一个不可再生的资源，我们的编码需要保证一个信号单元至少传输1个比特。有两个不同的信号

信号均衡

高电平时间最好和低信号时间相等，可以节省能量
不能有直流

频带传输

对于频带传输，则是把编码好的数字信号，通过调制解调器Modem，转化为模拟信号进行传输。主要适用于WIFI等无线网络的传输场景。

调制技术

主要分为两个
QPSK:正交相移键控
QAM:正交幅度调制
但是现在一般将两个结合起来，即又调制角度，又调制幅度。
图片描述

解调技术

采样：根据奈奎斯特定理，采样率必须是其最大频率的两倍，才能保证恢复出原来的信号
量化：根据信号的强度划分为不同的级别
编码：转化为二进制码

复用技术

时分复用

我们可以将时间化为一些固定长度的时隙，每个设备（子信道）用一个时隙进行传输。
图片描述
这里的一个帧中有3个时隙，每个时隙会分配给一个子信道，但是如果你不用就浪费了。所以这是一个问题。

频分复用

图片描述
同一时刻，我们把数据放到不同的频率段传输即可。

码分复用

码分复用的核心观点是，采用不同的编码方式，将数据分开。可以理解为是，每个人说不同的语言，然后这样同时说话的话，对于机器来说，只能理解一种语言，其他人的就是噪音了。

电话网络系统

结构

放个图自己了解一下就行图片描述

DSL (数字用户线路) 技术

DSL (Digital Subscriber Line) 是一项利用现有普通电话线 (POTS - Plain Old Telephone Service) 来提供高速互联网接入的技术。其核心目标是在不影响用户正常打电话、不重新铺设线路的前提下，提供远超56kbps拨号上网的速率。

核心挑战与特性

挑战：距离敏感性

DSL的性能与其物理位置息息相关。信号在铜质电话线上传输时会严重衰减，因此，用户家离电话公司机房（端局）的距离是决定其网速的唯一关键因素。距离越近，带宽越高；距离越远，带宽急剧下降。
特性：非对称 (Asymmetric)

大多数用户下载的数据量（看视频、浏览网页）远大于上传的数据量（发邮件、提交表单）。因此，ADSL (非对称DSL) 被设计为下行（Downstream）带宽远大于上行（Upstream）带宽，以最高效地利用有限的信道资源。

ADSL 体系架构：新旧设备的协同工作

要在一条电话线上同时跑语音和数据，需要在家中和电话公司机房两端都增加新设备：

用户端 (Customer Premises):
- 分离器 (Splitter): 它的本质是一个低通滤波器。它将低频的语音信号 (Voice) 分离出来送给电话机，将高频的数据信号 (Data) 分离出来送给ADSL Modem。
- ADSL Modem (调制解调器): 负责将电脑发出的数字信号调制成高频模拟信号发送出去，同时将接收到的高频模拟信号解调成电脑能懂的数字信号。
电话公司端 (End Office):
- DSLAM (数字用户线路接入复用器): DSLAM是核心设备，你可以把它看作是“成百上千个ADSL Modem的集合体”。它从分离器接收所有用户的混合信号，将语音信号送往电话交换机 (Telephony Switch)，同时将所有用户的数据信号汇集起来，通过高速线路（如ATM或光纤）连接到互联网 (Router -> ISP)。

核心技术：一条电话线，256条独立车道

ADSL的魔法在于它如何巧妙地将一条物理电话线划分并利用。这主要依赖于两种技术的结合：

1. 频分复用 (FDM) - 划分车道

ADSL将电话线的总可用频带（约1.1 MHz）通过FDM技术，划分为256条独立的、互不干扰的“虚拟车道”（子信道），每条“车道”的宽度为 4.3125 kHz。

Channel 0: 保留给传统电话语音（POTS），这就是为什么你上网时还能打电话。
Channel 1-5: 作为保护频带 (Guard Band)，不使用，以防止语音和数据信号互相干扰。
剩余约250条信道: 用于数据传输，并被划分为上行和下行两个区域。下行区域占据的信道数量远多于上行，这正是“非对称”的体现。

2. 离散多音调制 (DMT) - 智能分配每条“车道”的运力

划分好车道后，如何利用它们来运货（传输数据）呢？这就轮到DMT（离散多音调制）出场了。

并行处理: DMT技术本质上是在并行地运行250个小型的Modem，每个Modem负责一条4.3125kHz的“车道”。
信道质量监控: 电话线的不同频段，其信噪比(SNR) 是不同的。ADSL系统会持续监控每一条子信道的质量。
自适应QAM调制:
- 对于一条信噪比很高、非常“干净”的信道，系统会采用高阶的QAM调制（如64-QAM、256-QAM），在每个信号单元（Baud）上捆绑尽可能多的比特（PPT中提到最多可达 15 bits/baud）。
- 对于一条噪声很大的信道，系统会自动降级，采用更稳健的低阶QAM或QPSK，在每个信号单元上只传输较少的比特，以保证数据的准确性。
- ==所有信道的波特率 (Baud Rate) 都是固定的4000 baud。==

最终的总数据速率 = 所有数据子信道的速率之和。

这个精巧的设计，使得ADSL可以根据每条电话线的具体情况“量体裁衣”，压榨出最大的传输潜力，是物理层理论（香农定理、复用技术、调制技术）在实践中一次非常成功的应用。

交换技术

电路交换

主要分为三个阶段，电路建立，数据传输，电路终止。
特点：
- 两个节点之间直接建立物理连接，无需复用信道，两个人独占信道。
- 固定带宽
- 信道的浪费

报文交换

设立一个“邮局”，对信息进行储存-转发工作。
- 对于每个节点来说，都要存储完整信息，然后发送到下一个节点

分组交换

和报文交换的中心思想类似，但是把数据分为一个个包，有利于动态分配资源。
特点：
- 数据被限制为小包：包含数据和控制信息
- 控制信息包括路由地址信息
- 存储-转发
好处：
- 排队快（根据排队论算出的）
- 拥塞控制
- 速率控制
坏处：
- QoS没有保证
- 延迟高
- 网络复杂

各个交换技术的时延计算（重点）

图片描述
可以以下面这道例题来理解一下时延的计算

解：首先计算电路交换电路，电路交换的时延构成是：传输时延+传播时延+电路建立时延。
那么可以得到：
接下来计算分组交换的时延：其构成是：总传播时延+总传输时延 = 每一跳的传输时延之和+总传播时延
由于每一跳之间的传播时延远远小于传输时延，我们可以近似的认为，在k-1跳节点开始传输第i-1组数据的时候，k跳节点也开始传输第i组的数据了。
因此我们可以得到这样的一个模型：假设总共有i组数据，前i-1组数据在初始跳的全部传输时延计算完毕之后，所有的包都已经离开出发点了，要计算总时间，只用计算最后一个包的到达时间就行了，因此只用计算前i-1的传输时延和最后一个包在每一跳的传输时延，再加上总传播时延就可以了
即得：
要使得分组交换的时延更小，那么有：拓展：如果本题要计算报文交换的总时延，那么可以这么计算：总时间 = 总传输时延+总传播时延

物理层

BIMU