基本概念

数据：传送信息的实体
信号：数据的电气和电磁表现
码元：用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，称为k进制码元。

连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）
离散数值表示的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号）

串行传输：每比特按时间顺序传输
并行传输：若干比特通过多条通信信道同时传输

远距离通常串行传输。
串行传输速度慢、费用低、适用远距离。
并行传输速度快、费用高、适用近距离。

同步传输：数据以区块为单位，因此又称区块传输，在传输数据时需要先送出一个或多个同步字符，在送出数据
异步传输：将比特分成组传输（8位以上），发送方可在任何时刻发送比特组，接收方收到起始位时开始接收数据，收到终止位时停止接收数据

奈奎斯特定理

在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率（波特率）B=2W波特，其中W是理想低通信道的带宽。
若V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元）
理想低通信道下的极限数据传输速率 = Blog2V = 2Wlog2V 单位(b/s)
结论：

任何信道中，码元传输速率都是有上限的，超出上限会导致码间串扰。
信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率来进行码元的有效传输。
奈氏准则只给出了码元传输速率的限制，并未给出信息传输速率的限制（即没有对一个码元可以携带多少bit做出限制）

所以，为了提高数据传输速率，在码元传输速率已经到达上限的情况下，就要设法让一个码元携带更多的bit，即多元制的调制方法。

香农定理

在奈奎斯特定理基础上，给出了受高斯白噪声干扰的信道的极限传输速率。
信道的极限传输速率 = Wlog2(1+S/N) 单位(b/s)
其中 S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。
信噪比确定的话，码元种类的最大值也就确定了 V = √1 + S/N (将V代入到奈奎斯特定理中就能得到香农定理)
说明，在信道带宽（W）受限的条件下，码元的传输速率是有上限的（为2W波特），所以想要提高信息传输速率，就要增多码元种类（V），但码元种类又受噪声限制，所以：

信道中的信噪比越大，信息极限传输速率越高
对一定的带宽以及一定的信噪比，信息传速速率是有上限的
只要数信息传输速率低于极限信息传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输（码元编码）
实际信息传输速率要比得出的极限信息传输速率低不少

编码与调制

模拟信号传输（基带信号传输）
模拟信号传输（宽带信号传输）

数字数据编码成数字信号

使用数字发生器。
在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输信号。

归零编码

高1低0，中间均跳变至低
自同步，占带宽

非归零编码

高1低0，不跳变
无检错，难同步

反向归零编码

信号翻转代表0，不翻转代表1
不占带宽，难同步

曼彻斯特编码（以太网使用）

前高后低1，前低后高0，中间跳变
自同步，所占频带宽度是基带宽度2倍（每个码元有两个电平，如果码元传输速率为n，则信息传输速率为n/2）

差分曼彻斯特编码（局域网使用）

前半与前码元后半相同1，相反0，中间跳变
自同步，抗干扰强

4B/5B编码

数据流比特每4位为一组，按4B/5B规则将其转换成相应的5位码。
5位码共32种组合，但只采用其中16种对应16种不同的4四位码，其他16种作为控制码（帧的开始与结束、状态信息等）保留。
编码效率为80%（5位只用到4位）

数字信号调制为模拟信号

使用调制解调器。

调幅（幅移键控，ASK）

容易实现，但抗干扰差。

调频（频移键控，FSK）

容易实现，抗干扰强，应用广泛。

调相（相移键控，PSK）
调幅+调相（正交振幅调制，QAM）

设波特率为B，采用m个相位，每个相位n种振幅
数据传输速率R = Blog2(mn) mn种波型 -> mn种码元

模拟数据编码为数字信号

使用PCM编码器。
常用于对音频信号进行编码，主要包括采样、量化和编码三个步骤。
采样频率必须大于带宽最高频率的2倍，才能保证采样后的数字信息完整的保存原始模拟信号的信息（奈奎斯特定理）。

模拟数据调制为模拟信号

使用放大器。
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。
还可以使用频分复用（FDM），充分利用带宽。
例如，电话机与本地局交换机就是将声音数据（低频）加载到模拟的载波信号（高频）中传输的。

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

传输前，必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，直至通信结束后才被释放。
分为建立连接、数据传输和释放连接三个阶段。
用户始终占用端到端的固定传输带宽。
优点：

通信时延小
有序传输
没有冲突
模拟信号、数字信号都使用
实时性强
控制简单

缺点：

建立连接时间长
线路独占
灵活性差
难以规格化：不同速率、不同类型终端难以通信
中间结点无数据缓存能力，难以平滑通信量

报文交换

数据交换单位为报文。
报文携带目的地址、源地址等信息，通过存储转发的方式在结点间传输。
报文长度不限。
优点：

无须建立连接
动态分配线路
提高线路可靠性
提高线路利用率
提供多目标服务
易规格化：在存储转发中容易实现速率匹配与信号转换

缺点：

有传输时延
实时性差
只适用于数字信号
对报文大小没有限制，要求网络结点有很大的缓存空间

分组交换

传输单位是分组。
限制了分组的大小，再加上一些必要的控制信息（如编号信息），构成分组（Packet）。
优点：

包含报文交换的所有优点....
简化了存储管理：分组的长度固定
加速传输：可以流水线逐个传输分组
减少了出错概率与重发数据量：分组较短，出错概率必然减小
分组短小，适用于突发式数据通信

缺点：

有传输时延
额外传输信息量（相对报文交换更显著）
可能出现分组失序、重复或丢失等，如果采用虚电路，虽然没有失序问题，但仍需要呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个阶段

数据报与虚电路

是分组交换的两种方式。

数据报

不需要预先建立分组，发送方可随时发送，接收方可随时接收
不保证可靠性，尽最大努力交付
每个分组独立传输
对故障使用能力强
适用于突发式通信，不适用于长报文、会话式通信
不独占某条线路，资源利用率高

虚电路

在分组发送之间，要求发送方和接收方建立一条逻辑上的虚电路。
一旦虚电路建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。
三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放
建立时，分配一个虚电路号给该线路，传输数据时，分组要携带虚电路号，以区别其他虚电路上的分组。每个结点上都有一个虚电路表，记录每一个打开的虚电路。数据的传输是双向进行的。