计算机网络基础知识整理--数据通信基础

小编最近在复习计算机网络基础，整理出来一些我认为比较重要的知识。希望能帮到大家哈，后续会更新~

在本文中先讨论物理层的基本概念，然后在介绍有关数据通信基础的一些知识。在讨论几种常用的信道复用技术后，最后再讨论几种常用的宽带接入技术。

1. 物理层的基本概念

首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。现有计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上的数据链路层感觉到这些差异，这样就可以让数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

数据在计算机中多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（出于经济考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

由于物理连接的方式很多（点对点/多点连接/广播连接），传输媒体的种类也很多（架空明线/双绞线/对称电缆/同轴电缆/光缆/...），所以具体的物理层协议种类较多。在学习物理层时，应将重点放在掌握基本概念上。

2. 数据通信基础

2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可以划分为三大部分：源系统（或发送端\发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端\接收方）。

图2-1 数据通信系统模型

源系统（信息->数据->信号）一般包括：

• 源点：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘键入汉字，PC产生输出的数字比特流。
• 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。调制器就是典型的发送器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包括调制器和解调器），用户在PC外看不见调制解调器。

目的系统（信号->数据->信息）一般包括：

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将它转换为能够被目的设备处理的信息。调制器也是典型的接收器，它将来自传输路线上的模拟信号进行解调，提取出发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
• 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（把汉字在PC屏幕上显示出来）。

在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

2.2 有关信道的几个基本概念

信道和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传送消息的媒体。一次，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单向通信 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
• 双向交替通信 即通信的双方可以发送消息，但不能同时发送（当然也不能同时接收）。
• 双向同时通信 即通信的双方都可以同时发送和接收消息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的效率最高。

调制分为以下两类：

• 基带调制 仅仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号（来自信源的信号即基本频带信号）。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，所以这种过程也可以称为编码。常用编码方式如下：

图2-2 数字信号常用编码模式

1. 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
2. 曼彻斯特编码：位周期中心向上跳代表0，位中心向下跳代表1。但也可以反过来编译。
3. 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

• 带通调制 需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即尽在一段频率范围内能够通过信道）。基本的带通调制方法如下：

图2-3 最基本的但中调制方法

1. 调幅（AM） 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
2. 调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
3. 调相（PM） 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应与相位0度或180度。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。

3. 信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念，在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。下面对复用技术进行简单介绍。

图3-1 复用的示意图

复用减少了使用的信道量，但复用也需付出一定的代价（共享信道由于带宽较大因而费用较高，再加上复用器和分用器）。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。在进行通信时，复用器和分用器成对使用，在复用器和分用器之间是用户共享的高速通道。分用器的作用和复用器作用相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交给用户。

以下为几种常用的复用技术：

• 频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing） 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始自终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的"带宽"指的是频率带宽而不是数据的发送速率）。

图3-2 频分复用

• 时分复用TDM（Time Division Multiplexing） 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM）帧。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户占用的时隙是周期性地出现（周期为TDM的长度）。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用在数字信号传输上比较占优势。

图3-3 时分复用

• 统计时间复用STDM（Statistic TDM） 是一种改进的时分复用，它能明显提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户数就有了数据随时向集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，对没有数据缓存的就直接跳过去，当一个帧的数据放满了，就发送出去。可见STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路的利用率。统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

图3-4 统计时分复用

• 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing） 就是光的频分复用。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就出现了波分复用这一名词。最初人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。这种复用方式称为波分复用。

图3-5 波分复用

4. 宽带接入技术

用户要连接到因特网，必须先连接到某个ISP来获得上网所需的IP地址。在因特网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP，但是上网速率很低。为了提高用户上网速率，近年来已经有多种宽带技术进入用户家庭。从宽带接入媒体来看，可以划分为有线宽带接入和无线宽带接入。之后会详细介绍无线宽带接入，下文仅限于有线宽带接入。

• 非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line） 是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。（用数字技术对现有模拟电话线进行改造）
• 光纤同轴混合网（HFC网 Hybrid Fiber Coax） 是目前覆盖面很广的在有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。（在有线电视网的基础上开发的）
• 光纤到户FTTH （Fiber To The Home） 就是把光纤一直铺设到用户家庭，只有在光纤进入用户家门后，才把光信号转换为电信号，这样就可以使用户获得最高的上网速率。