数据通信基础知识
数据通信模型及相关术语
Q: 数据通信模型中包含哪些主要部分？
A: 数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。
Q: 信源、信道和信宿的定义是什么？
A: - 信源是产生和发送数据的源头。
- 信宿是接收数据的终点。
- 信道是信号的传输介质。
Q: 数据通信模型中包含哪些辅助设备？
A: 数据通信模型中包含发送器、接收器和传输系统。
Q: 发送器和接收器的作用是什么？
A: 发送器将信源发出的信息转换成适合在信道上传输的信号，接收器将通过信道传输到接收端的信号转换成原始信息。
Q: 传输系统的定义是什么？
A: 传输系统是指信号的传输介质，如公用电话网、无线电波等。
数据通信相关术语
Q: 消息、数据和信号的定义是什么？
A: - 消息是指语音、文字、图像、视频等。
- 数据是指传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
- 信号则是数据的电气/电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。
Q: 信源和信宿的定义是什么？
A: - 信源是产生和发送数据的源头。
- 信宿是接收数据的终点。
Q: 信道的定义是什么？
A: 信道是信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
Q: 信道的分类有哪些？
A: 信道可以按照传输介质和传输信号形式进行分类：
- 按传输介质分：无线信道和有线信道。
- 按传输信号形式分：模拟信道和数字信道。
Q: 信道上传送的信号有哪些类型？
A: 信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分：
- 基带信号将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输。
- 宽带信号将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输。
Q: 数据传输方式有哪些？
A: 数据传输方式分为串行传输和并行传输：
- 串行传输是指逐比特地按序依次传输。
- 并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。
单向通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
半双工通信：通信双方都可发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息。
全双工通信：通信双方可同时发送和接收信息。
数据通信系统设计要考虑的三个问题
Q: 设计数据通信系统要考虑的三个问题是什么？
A: 1. 采用单工通信/半双工/全双工通信方式？
2. 采用串行通信/并行通信方式？
3. 采用同步通信/异步通信方式？
码元
Q: 码元的定义是什么？
A: 码元是指用一个固定时常的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位。
Q: 什么是 k 进制码元？
A: 当码元的离散状态有 k 个时，此时码元就是 k 进制码元。
Q: 码元与比特的关系是什么？
A: 1 个码元可以携带多个比特信息量。1 码元可携带若干比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：一种代表 0 状态，另一种代表 1 状态。
不归零编码：只有两种状态（正负）。
归零编码：在每个码元的中间时刻信号都会回归到零电平。
曼彻斯特编码：自同步，10Mb/s 传统以太网。
差分曼彻斯特编码：有跳变为 0，无跳变表示 1。
Q: 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法是什么？
A: 
- 码元传输速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。
- 信息传输速率：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数）。
Q: 码元传输速率与信息传输速率的关系是什么？
A: 若是一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M x n bit/s。
Q: 数据和信号的分类是什么？
A: 数据和信号都有模拟或数字之分：
- 模拟数据（或模拟信号）的取值是连续的。
- 数字数据（或数字信号）的取值是离散的。
Q: 速率、波特与带宽的定义是什么？
A:速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。
波特率是指单位时间内数字通信系统所传输的码元数。
带宽是指某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差。
Q: 波特率与比特率的关系是什么？
A: 若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s。
Q: 码元和比特数的换算方法是什么？
A: 码元数量为
串行和并行传输
Q: 串行传输和并行传输的区别是什么？
A: 串行传输：一个一个比特发送信息，发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路。
并行传输：一次发送 N 个比特，发送端和接收端之间需要有 n 条传输线路，传输速度为串行传输的 N 倍，但成本更高。
同步传输和异步传输
Q: 同步传输和异步传输的区别是什么？
A: 同步传输：数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔，需要收发双方时钟保持同步。
异步传输：以字节为独立的传输单位，字节间的间隔不固定，每个字节前后加上起始位和结束位。
单向通信、半双工通信和全双工通信
带宽
Q: 带宽的定义是什么？
A: 带宽通常描述信道的最优性能，其中包含有模拟信号带宽以及数字信号带宽。
带宽原本表示通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹 (Hz)。但在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，单位是比特/秒 (b/s)。
Q: 模拟信号系统中的带宽是什么？
A: 模拟信号系统中的带宽是指最高频率与最低频率的差值。
Q: 数字设备中的带宽是什么？
A: 数字设备中的带宽是指在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的 “最高数据率”。
Q: 基带信号和带通信号的区别是什么？
A: 基带信号：信号发出源发出的原始电信号。
带通信号：通过调制将基带信号的频率范围搬移到较高频段。
奈式准则和香农定理
失真和码间串扰
Q: 什么是失真？
A: 失真指的是信号在传输过程中发生的扭曲和变化，导致接收端收到的信号与发送端发送的信号不一致。
Q: 影响失真程度的因素有哪些？
A: - 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
Q: 什么是码间串扰？
A: 码间串扰是指接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象，导致接收端无法正确识别码元。
奈式准则
Q: 奈式准则的定义是什么？
A: 奈式准则规定：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为
Q: 奈式准则的公式是什么？
A: 理想低通信道下的极限数据传输速率 =
Q: 奈式准则的结论有哪些？
A: 1. 在任何信道当中，码元传输的速率是有上限的。
2. 信道的频带越宽，就越可用更高的速率进行码元的有效传输。
3. 奈式准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
4. 由于码元的传输速率收到奈式准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能够携带更多个比特的信息量，这就需要多元制的调制方法。
香农定理
Q: 香农定理的定义是什么？
A: 香农定理给出了带宽受限制且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
Q: 香农定理的公式是什么？
A: 信道的极限数据传输速率 = Wlog2(1+S/N)，其中 W 为信道的频率带宽，S 为信道内所传输信号的平均功率，N 为信道内的高斯噪声功率，S/N 为信噪比。
Q: 香农定理的结论有哪些？
A: 1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，那么信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能够找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得到的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽 W 或者信噪比 S/N 没有上限，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
奈式与香农的区别
Q: 奈式准则和香农定理的区别是什么？
A: - 奈式准则：只考虑了带宽与极限码元传输速率之间的关系，适用于理想低通信道。
- 香农定理：不仅考虑了带宽，也考虑了信噪比，适用于有噪声的信道。
Q: 如何选择奈式准则和香农定理进行计算？
A: - 如果题目中没有给出噪声信噪比的条件，则使用奈式准则。
- 如果题目中给出了信噪比，则使用香农定理。
- 如果题目中同时给出了信噪比和码元离散电平数目，则需要分别使用奈式准则和香农定理进行计算，然后取最小值作为最终答案。
Q: 奈氏准则和香农定理的联系是什么？
A: 奈氏准则和香农定理都给出了信道容量的限制，但香农定理更全面，因为它考虑了噪声的影响。
- 奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率之间的关系。
- 香农定理不仅考虑了带宽，也考虑了信噪比。
编码与调制
编码与调制
Q: 编码和调制的定义是什么？
A: - 编码：将数据转换为数字信号的过程。
- 调制：将数据转换为模拟信号的过程。
Q: 编码和调制的过程是什么？
A: - 编码：数字数据通过数字发送器转换为数字信号，模拟数据通过 PCM 编码器转换为数字信号。
- 调制：数字数据通过调制器转换为模拟信号，模拟数据通过放大器调制器转换为模拟信号。
数字数据编码为数字信号
Q: 数字数据编码的目的是什么？
A: 数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。
Q: 常用的数字数据编码方式有哪些？
A: - 非归零 (NRZ) 编码：用高电平表示 1、低电平表示 0，编码效率最高，但存在同步问题。
- 归零 (RZ) 编码：与 NRZ 编码的区别是每个码元的中间均跳变到零电平，提供自同步机制。
- 反向非归零（NRZI）编码：与 NRZ 编码的区别是用电平的跳变表示 0、电平保持不变表示 1，集成了前两种编码的优点。
- 曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。
- 差分曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变仅表示时钟信号，数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变。
- 4B/5B 编码：每次传输 5 比特数据来表示真实的四个数据，通过将输入数据转换为 5 比特的输出，可以保证传输数据中不存在连续的多个 0 或 1，减少传输中的直流偏移，提高传输可靠性。
数字数据调制为模拟信号
Q: 数字数据调制技术的目的是什么？
A: 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号。
Q: 常用的数字数据调制方式有哪些？
A: - 调幅（AM）或幅移键控（ASK）：通过改变载波的振幅来表示数字信号 1 和 0。
- 调频 (FM) 或频移键控 (FSK)：通过改变载波的频率来表示数字信号 1 和 0。
- 调相 (PM) 或相移键控 (PSK)：通过改变载波的相位来表示数字信号 1 和 0。
- 正交幅度调制 (QAM)：在频率相同的前提下，将 AM 与 PM 结合起来，形成叠加信号。
模拟数据编码为数字信号
Q: 模拟数据编码为数字信号的步骤有哪些？
A: 1. 采样：对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
2. 量化：将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整。
3. 编码：将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。
Q: 采样定理的定义是什么？
A: 采样定理规定：在将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为
模拟数据调制为模拟信号
Q: 模拟数据调制为模拟信号的目的是什么？
A: 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用 (FDM) 技术，充分利用带宽资源。
Q: 模拟数据调制为模拟信号的应用场景是什么？
A: 电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。
数据交换方式
数据交换方式的必要性
Q: 为什么需要数据交换方式？
A: - 直接连接所有计算机需要大量的链路，效率低且浪费资源。
- 使用交换设备可以集中数据传输，减少链路数量，提高效率。
- 使用多个交换设备可以形成一个大的交换网络，连接更多计算机。
数据交换方式的分类
Q: 数据交换方式有哪些？
A: - 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
Q: 报文交换和分组交换属于哪种交换方式？
A: 报文交换和分组交换都是属于存储转发交换方式。
Q: 分组交换包含哪些方式？
A: 分组交换包含数据报方式和虚电路方式。
电路交换
Q: 电路交换的原理是什么？
A: 在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条由中间节点构成专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
Q: 电路交换的三个阶段是什么？
A: 1. 建立连接：源节点向目的节点发送呼叫请求，建立一条专用线路。
2. 通信：数据通过建立的专用线路进行传输。
3. 释放连接：通信结束后，释放专用线路。
Q: 电路交换的特点是什么？
A: - 独占资源：在数据传输期间，专用线路被独占，其他用户无法使用。
- 实时性强：数据传输时延小，适用于实时性要求高的大量数据传输。
Q: 电路交换的优缺点是什么？
A: - 优点：时延小、顺序传送、实时性强、采用全双工通信、不会被抢占信道、适用于数字或模拟信号、控制简单。
- 缺点：初始建立连接时间长、信号独占导致空闲时无法让出、一旦中间传输设备出现故障就需要重新创建连接、不同终端很难进行交互、无法进行纠错与差错控制。
报文交换
Q: 报文交换的原理是什么？
A: 无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用的是存储转发方式。
Q: 报文交换的传输过程是什么？
A: 1. 将传输的信息 + 报文头构成报文，发送出去。
2. 报文到达交换设备后，先收下整个报文，暂存报文，进行差错检测，并根据路由信息找到下一个节点地址，进行转发。
Q: 报文交换的优缺点是什么？
A: - 优点：无需建立连接、多个报文可共享线路以及动态分配线路、可以提供多目标服务、实现交换转发灵活特点。
- 缺点：实时性比较差、只适用于数字信号、由于报文长度没有限制会导致部分极端情况下报文会存储在磁盘导致增加了传送时延、并且要适当扩大缓冲区。
分组交换
Q: 分组交换的原理是什么？
A: 分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都是采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选择 128B。
Q: 分组交换的传输过程是什么？
A: 1. 发送节点将数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。
2. 接收节点将收到的分组组装成信息或报文。
Q: 分组交换的优缺点是什么？
A: - 优点：无需提前建立专用连接线路、可以随时发出分组、线路利用率高、分组的长度固定、缓冲区大小也固定、实现并行、减少了传输时延、适用于计算机突发式数据通信。
- 缺点：虽然每个转发传输时间比报文交换时间短，但是依旧存在存��转发时延、对于每一个分组都要加上控制信息、增加了处理时间、可能会出现失序、丢失或重复分组情况、需要对所有分组进行排序、需要提前建立连接线路。
Q: 分组交换的两种方式是什么？
A: - 数据报方式：每个分组独立确认传输路径，不同分组传输路径可能不同。
- 虚电路方式：首先为分组的传输确认传输路径，然后沿该路径传输系列分组，传输结束后拆除连接。
Q: 数据报方式和虚电路方式的区别是什么？
A: - 数据报方式：无连接服务，分组传输路径可能不同，可能出现乱序、重复与丢失的问题，但最终都会进行分组重排。
- 虚电路方式：连接服务，分组传输路径相同，不会出现乱序、重复或丢失的问题，但需要提前建立连接线路。
三种数据交换方式的选择
Q: 如何选择数据交换方式？
A: - 传输数据量大，且传输时间远大于呼叫时，选择电路交换。
- 端到端的通路有很多段的链路组成时，采用
分组交换传送数据较为合适。 - 从信道利用率上来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中
分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。