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?博主的上篇連載文章《初識影像處理技術》
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2022/11/27
眾所周知，計算機網路在程式設計師的學習以及面試中佔據十分重要的位置，同時它也是我們開啟網際網路世界的鑰匙?。
因此，從今天開始更新《漫談計算機網路》一文，讀者們可以跟著博主一起深入淺出，瞭解計算機網路知識，學習計算機網路的應用。
博主仍在不斷學習進步中，在本文中對於計算機網路的理解與認識尚淺，如有錯誤之處煩請批評指正。
如有疑問歡迎評論區留言。
以下為正文：
首先我們來看看
物理層在協議體系結構的位置：
2.1 物理層的基本概念
物理層考慮的是怎樣才能在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體。
作用：儘可能遮蔽掉不同傳輸媒體和通訊手段的差異。
l用於物理層的協議也常稱為物理層規程 (procedure)。
物理層的主要任務
確定與傳輸媒體的介面的一些特性。4 個特性：
機械特性：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定
和鎖定裝置等。
電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序
重點?從這裡開始
2.2 資料通訊的基礎知識
2.2.1 資料通訊系統的模型
常用術語：
l 訊息(message)：如話音、文字、影像、影片等。
l 資料 (data)： 運送訊息的實體。有意義的符號序列。
l 訊號 (signal)：資料的電氣的或電磁的表現。
模擬訊號 (analogous signal)：代表訊息的引數的取值是連續的。
數字訊號 (digital signal)：代表訊息的引數的取值是離散的。
l 碼元：在使用時間域（簡稱為時域）的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形。
使用二進位制編碼時，只有兩種不同的碼元：0 狀態，1 狀態。
2.2.2 有關通道的幾個基本概念
l 通道：
一般用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。
l 單向通訊（單工通訊）：
只能有一個方向的通訊，沒有反方向的互動。
l 雙向交替通訊（半雙工通訊）：
通訊的雙方都可以傳送資訊，但雙方不能同時傳送（當然也就不能同時接收）。
l 雙向同時通訊（全雙工通訊）：
通訊的雙方可以同時傳送和接收資訊。
l 基帶訊號（即基本頻帶訊號）
來自信源的訊號。
包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分。
l 調製
基帶調製：僅對基帶訊號的波形進行變換，把數字訊號轉換為另一種形式的數字訊號。把這種過程稱為編碼 (coding)。
帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬訊號。經過載波調製後的訊號稱為帶通訊號（即僅在一段頻率範圍內能夠透過通道）。
(1) 常用編碼方式
l 不歸零制：正電平代表 1，負電平代表 0。
l 歸零制：正脈衝代表 1，負脈衝代表 0。
l 曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表 0，位週期中心的向下跳變代表 1。但也可反過來定義。
l 差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表 0，而位開始邊界沒有跳變代表 1。
結合圖片更好理解呀?：
編碼術語：
l 訊號頻率：
曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼產生的訊號頻率比不歸零制高。
l 自同步能力：
不歸零制不能從訊號波形本身中提取訊號時脈頻率（這叫做沒有自同步能力）。
曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。
(2) 基本的帶通調製方法
l 基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。
l 必須對基帶訊號進行調製 (modulation)。
l 最基本的調製方法有以下幾種：
1. 調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字訊號而變化。
2. 調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字訊號而變化。
3. 調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化。
如圖?：
正交振幅調製 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
例如：
可供選擇的相位有 12 種，而對於每一種相位有 1 或 2 種振幅可供選擇。總共有 16 種組合，即 16 個碼元。
由於 4 bit 編碼共有 16 種不同的組合，因此這 16 個點中的每個點可對應於一種 4 bit 的編碼。資料傳輸率可提高 4 倍。
不是碼元越多越好，若每一個碼元表示的位元數越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態就越難，出錯率就增加。
2.2.3 通道的極限容量
l 任何實際的通道都不是理想的，都不可能以任意高的速率進行傳送。
l 碼元傳輸的速率越高，或訊號傳輸的距離越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。
l 限制碼元在通道上的傳輸速率的兩個因素：
通道能夠透過的頻率範圍。
l 具體的通道所能透過的頻率範圍總是有限的。訊號中的許多高頻分量往往不能透過通道。
l 碼間串擾：接收端收到的訊號波形失去了碼元之間的清晰界限。
奈氏準則
在頻寬為 W (Hz) 的低通訊道中，若不考慮噪聲影響，則碼元傳輸的最高速率是 2W (碼元/秒)。傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。
訊雜比
訊雜比就是訊號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記為 S/N，並用分貝 (dB) 作為度量單位。即：
訊雜比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
例如：當 S/N =10 時，訊雜比為10dB，而當 S/N =1000 時，訊雜比為30dB
夏農公式
通道的極限資訊傳輸速率 C 可表達為。
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
其中
W通道的頻寬（HZ）
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。
l 通道的頻寬或通道中的訊雜比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高。
l 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。
提高資訊的傳輸速率的方法
方法：用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多位元的資訊量
注意：奈氏準則和夏農公式的意義不同：
2.3 物理層下面的傳輸媒體
l 傳輸媒體是資料傳輸系統中在傳送器和接收器之間的物理通路。
l 兩大類：
導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播。
非導引型傳輸媒體：指自由空間。非導引型傳輸媒體中電磁波的傳輸常
稱為無線傳輸。
電信領域使用的電磁波的頻譜（無線電 - 紫外線）：
2.3.1 導引型（有線的）傳輸媒體
1. 雙絞線
l 最古老但又最常用的傳輸媒體。
l 把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後用規則的方法絞合 (twist) 起來就構成了雙絞線。
l 絞合度越高，可用的資料傳輸率越高。
分為 兩 大類：
無遮蔽雙絞線 UTP。
無遮蔽層。
價格較便宜。
遮蔽雙絞線 STP。
帶遮蔽層。
都必須有接地線。
補充：
x/UTP：對整條雙絞線電纜進行遮蔽，X不同代表不同的遮蔽層。
比較F/UTP 與U/FTP 與F/FTP：
在抗干擾能力上，U/FTP 比 F/UTP 好，而 F/FTP 則是最好的。
雙絞線標準 EIA/TIA-568
2. 同軸電纜
由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體遮蔽層（也可以是單股的）以及保護塑膠外層所組成。
特點：
具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的資料
3. 光纜
l 光纖是光纖通訊的傳輸媒體。透過傳遞光脈衝來進行通訊。
l 其傳輸頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬。
傳送端：要有光源，在電脈衝的作用下能產生出光脈衝。
光源：發光二極體，半導體鐳射器等。
接收端：要有光檢測器，利用光電二極體做成，在檢測到光脈衝時還原出電脈衝
光波在纖芯中的傳播
光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通訊圓柱體。當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大於入射角。如果入射角足夠大，就會出現全反射，光也就沿著光纖傳輸下去。
光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射
多模光纖與單模光纖
多模光纖
可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。
光脈衝在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真，只適合於近距離傳輸。
單模光纖
其直徑減小到只有一個光的波長（幾個微米），可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。
製造成本較高，但衰耗較小。
光源要使用昂貴的半導體鐳射器，不能使用較便宜的發光二極體。
如下圖?
光纖通訊中使用的光波的波段
常用的三個波段的中心
- 850 nm
- 1300 nm
- 1550 nm
所有這三個波段都具有25000~30000 GHz 的頻寬，通訊容量非常大。
光纜(光纖太細啦！你個細?o.O?)
l 必須將光纖做成很結實的光纜。
- 數十至數百根光纖，
- 加強芯和填充物，
- 必要時還可放入遠供電源線，
4. 最後加上包帶層和外護套。
l 使抗拉強度達到幾公斤，完全可以滿足工程施工的強度要求。
光纖優點
(1) 通訊容量非常大
(2) 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。
(3) 抗雷電和電磁干擾效能好。
(4) 無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或擷取資料。
(5) 體積小，重量輕。
現在已經非常廣泛地應用在計算機網路、電信網路和有線電視網路的主幹網路中。
2.3.2 非導引型（無線的）傳輸媒體
利用無線電波在自由空間的傳播可較快地實現多種通訊，因此將自由空間稱為“非導引型傳輸媒體” 。
無線傳輸所使用的頻段很廣：LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）
無線電微波通訊
佔有特殊重要的地位。
微波頻率範圍：
300 MHz~300 GHz（波長1 m ~ 1 mm）。
主要使用：2 ~ 40 GHz。
在空間主要是直線傳播。
地球表面：傳播距離受到限制，一般只有 50 km左右。
100 m 高的天線塔：傳播距離可增大到 100 km。
多徑效應
基站發出的訊號可以經過多個障礙物的數次反射，從多條路徑、按不同時間等到達接收方。多條路徑的訊號疊加後一般都會產生很大的失真，這就是所謂的多徑效應。
誤位元速率（即位元錯誤率）不能大於可容許的範圍
l 對於給定的調製方式和資料率，訊雜比越大，誤位元速率就越低。
l 對於同樣的訊雜比，具有更高資料率的調製技術的誤位元速率也更高。
l 如果使用者在進行通訊時不斷改變自己的地理位置，就會引起無線通道特性的改變，因而訊雜比和誤位元速率都會發生變化。
?如圖顯示了理想無線通道的誤位元速率與訊雜比、調製方式、資料率的關係
遠距離微波通訊：微波接力(訊號塔 、中繼衛星)
微波接力：中繼站把前一站送來的訊號放大後再傳送到下一站。
主要特點：
(1) 微波波段頻率很高，頻段範圍很寬，其通訊通道的容量很大。
(2) 工業干擾和天電干擾對微波通訊的危害小，微波傳輸質量較高。
(3) 與相同容量和長度的電纜載波通訊比較，微波接力通訊建設投資少，見效快，易於實施。
主要缺點：
(1) 相鄰站之間必須直視（常稱為視距 LOS (Line Of Sight)），不能有障礙物，存在多徑效應。
(2) 有時會受到惡劣氣候的影響。
(3) 與電纜通訊系統比較，微波通訊的隱蔽性和保密性較差。
(4) 對大量中繼站的使用和維護要耗費較多的人力和物力。
衛星通訊
優勢：通訊容量大，通訊距離遠，通訊比較穩定，通訊費用與通訊距離無關。
劣勢：但傳播時延較大：在 250~300 ms之間。保密性相對較差。造價較高。
請注意：“衛星通道的傳播時延較大”並不等於“用衛星通道傳送資料的時延較大” 。
低軌道衛星通訊系統（衛星高度在 2000 公里以下）已開始使用。目前，大功率、大容量、低軌道寬頻衛星已開始在空間部署，並構成了空間高速鏈路。
無線區域網使用的 ISM 頻段
無線區域網：使用無線通道的計算機區域網。
無線電頻段：通常必須得到無線電頻譜管理機構的許可證。
ISM 頻段：可以自由使用。
2.4 通道複用技術
複用 (multiplexing) ：允許使用者使用一個共享通道進行通訊。
2.4.1 分頻多工FDM、分時多工TDM和統計分時多工STDM
分頻多工 FDM (Frequency Division Multiplexing)
最基本的複用技術。
將整個頻寬分為多份，使用者在分配到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶。
所有使用者在同樣的時間佔用不同的頻寬（即頻帶）資源。
如圖：
分時多工 TDM (Time Division Multiplexing)
將時間劃分為一段段等長的分時多工幀（TDM幀）。
每一個分時多工的使用者在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。
每一個使用者所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度）的。
TDM 訊號也稱為等時 (isochronous) 訊號。
所有使用者在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度。
如圖：
分時多工的缺點:
分時多工會導致通道利用率不高
關鍵知識補充:
分頻多重進接FDMA與分時多重進接TDMA
可讓 N 個使用者各使用一個頻帶，或讓更多的使用者輪流使用這 N 個頻帶。這種方式稱為分頻多重進接接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access)，簡稱為分頻多重進接。
可讓 N 個使用者各使用一個時隙，或讓更多的使用者輪流使用這 N 個時隙。這種方式稱為分時多重進接接入 TDMA (Time Division Multiple Access)，簡稱為分時多重進接。
成對使用的 複用器 (multiplexer) 和分用器 (demultiplexer)：
統計分時多工 STDM (Statistic TDM) （動態高效）
2.4.2 波長分波多工WDM（光的分頻多工）
波長分波多工 WDM (Wavelength Division Multiplexing) ：光的分頻多工。使用一根光纖來同時傳輸多個光載波訊號。
2.4.3 碼分複用CDM 與 分碼多重進接CDMA
每一個使用者可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通訊。
各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，因此不會造成干擾。
當碼分複用 CDM (Code Division Multiplexing) 通道為多個不同地址的使用者所共享時，就稱為分碼多重進接 CDMA (Code DivisionMultiple Access)。
碼分複用CDMA 工作原理
將每一個位元時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片 (chip)。
為每個站指派一個唯一的 m bit 碼片序列。
傳送位元 1：傳送自己的 m bit 碼片序列。
傳送位元 0：傳送該碼片序列的二進位制反碼。
舉例?
碼片序列實現了擴頻從（1 或 0 到m bits）
要傳送資訊的資料率 = b bit/s，實際傳送的資料率 = mb bit/s，
同時，所佔用頻頻寬度也提高到原來的 m 倍
擴頻通常有 2 大類：
直接序列擴頻 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 。
跳頻擴頻 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
分碼多重進接 CDMA 的重要特點
每個站分配的碼片序列：各不相同，且必須互相正交 (orthogonal)。
正交：向量 S 和 T 的規格化內積 (inner product) 等於 0：
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 。
一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1。
CDMA 工作原理圖：
規格化內積 相當於 異或操作
以上為重點?
2.5 數字傳輸系統
在早期電話網中，從市話局到使用者電話機的使用者線是採用最廉價的雙絞線電纜，而長途幹線採用的是分頻多工 FDM 的模擬傳輸方式。
與模擬通訊相比，數字通訊無論是傳輸質量上還是經濟上都有明顯的優勢。
目前，大都採用分時多工 PCM 的數字傳輸方式。
現代電信網業務括話音、影片、影像和各種資料業務。因此需要一種能承載來自其他各種業務網路資料的傳輸網路。
在數字化的同時，光纖開始成為長途幹線最主要的傳輸媒體。
早期數字傳輸系統的缺點
多路複用的傳輸速率標準不統一。兩個互不相容的國際標準：
北美和日本的 T1 速率（1.544 Mbit/s）
歐洲的 E1 速率（2.048 Mbit/s）。
不是同步傳輸。主要採用準同步方式。
各支路訊號的時脈頻率有一定的偏差，給分時多工和分用帶來許多麻煩。
同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network)
各級時鐘都來自一個非常精確的主時鍾。
為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構：
傳輸速率以 51.84 Mbit/s 為基礎。對電信訊號稱為第 1 級同步傳送訊號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，對光訊號則稱為第 1 級光載波 OC-1 (Optical Carrier)。
現已定義了從 51.84 Mbit/s (即 OC-1) 到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的標準。
同步數字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
ITU-T 以美國標準 SONET 為基礎制訂的國際標準。
與 SONET 的主要不同：SDH 的基本速率為 155.52 Mbit/s，稱為第 1 級同步傳遞模組 (Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相當於 SONET 體系中的 OC-3 速率。
SONET 的 OC/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應關係表
SONET / SDH 標準的意義
定義了標準光訊號，規定了波長為 1310 nm 和 1550 nm 的鐳射源。
在物理層定義了幀結構。
使北美、日本和歐洲這三個地區三種不同的數字傳輸體制在 STM-1 等級上獲得了統一。
已成為公認的新一代理想的傳輸網體制。
SDH 標準也適合於微波和衛星傳輸的技術體制。
2.6 寬頻接入技術
寬頻：標準在不斷提高。
美國聯邦通訊委員會 FCC 定義：
寬頻下行速率達 25 Mbit/s，寬頻上行速率達 3 Mbit/s。
從寬頻接入的媒體來看，劃分為 2 大類：
有線寬頻接入。
無線寬頻接入
2.6.1 ADSL 技術
非對稱數字使用者線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)技術：用數字技術對現有的模擬電話使用者線進行改造，使它能夠承載寬頻業務。
ADSL 技術把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高階頻譜留給使用者上網使用。
ADSL 的 ITU 的標準：G.992.1（或稱 G.dmt）。
非對稱：下行（從 ISP 到使用者）頻寬遠大於上行（從使用者到 ISP）頻寬。
ADSL 調變解調器
採用離散多音調 DMT（Discrete Multi-Tone）調製技術。
DMT 調製技術採用分頻多工 FDM 方法。
相當於在一對使用者線上使用許多小的調變解調器並行地傳送資料。
ADSL採用自適應調製技術，不能保證固定的資料率。
DMT 技術的頻譜分佈圖?
ADSL 的組成
ADSL 最大好處：
可以利用現有電話網中的使用者線（銅線），而不需要重新佈線。
數字使用者線接入複用器 DSLAM（DSL Access Multiplexer），使用者線和使用者家中的一些設施。
第二代 ADSL：
包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）。
主要改進：
(1) 透過提高調製效率得到了更高的資料率。
(2) 採用了無縫速率自適應技術 SRA (Seamless Rate Adaptation)。
(3) 改善了線路質量評測和故障定位功能。
ADSL 並不適合於企業，因為企業往往需要使用上行通道傳送大量資料給許多使用者。
xDSL
SDSL (Symmetric DSL)：對稱數字使用者線
HDSL (High speed DSL)：高速數字使用者線
VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數字使用者線
Giga DSL：超高速數字使用者線
華為公司於 2012 年首先研製成功樣機。
使用時分雙工 TDD (Time Division Duplex)和 OFDM 技術
2.6.2 光纖同軸混合網（HFC網）
HFC (Hybrid Fiber Coax) 網基於有線電視網 CATV 網。
改造：把原有線電視網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖
我國的 HFC 網的頻帶劃分?
機頂盒與電纜調變解調器（set-top box）
機頂盒（set-top box）：
連線在同軸電纜和使用者的電視機之間。
使現有的模擬電視機能夠接收數字電視訊號。
電纜調變解調器（cable modem）：
將使用者計算機接入網際網路。
在上行通道中傳送互動數字電視所需的一些資訊。
不需要成對使用，而只需安裝在使用者端。
複雜，必須解決共享通道中可能出現的衝突問題。
2.6.3 FTTx 技術
代表多種寬頻光纖接入方式。
FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…），例如：
光纖到戶 FTTH (Fiber To The Home)：在光纖進入使用者的家門後，才把光訊號轉換為電訊號。
光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)
光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)
光纖到小區 FTTZ (Fiber To The Zone)
光纖到辦公室 FTTO (Fiber To The Office)
光纖到桌面 FTTD (Fiber To The Desk) 等。
無源光配線網 ODN (Passive Optical Network)
光配線網 ODN (Optical Distribution Network)：位於光纖幹線和廣大使用者之間。
無源的光配線網常稱為無源光網路 PON (Passive Optical Network)。
光配線網 ODN (Optical Distribution Network)
採用波長分波多工 WDM，上行和下行分別使用不同的波長。
2 種最流行的無源光網路 PON (Passive Optical Network)：
以太網無源光網路 EPON (Ethernet PON)
在鏈路層使用乙太網協議，利用 PON 的拓撲結構實現乙太網的接入。
與現有乙太網的相容性好，並且成本低，擴充套件性強，管理方便。
吉位元無源光網路 GPON (Gigabit PON)
採用通用封裝方法 GEM (Generic Encapsulation Method)，可承載多業務，且對各種業務型別都能夠提供服務質量保證，總體效能比EPON好。
成本稍高。