从这节课开始呢我们将进入第二章物理层的学习。
首先呢我们来看一下第二章的一个小剧透,那么物理层呢是作为这五层网络体系结构当中的最底下一层。那物理层的功能我们在第一章也讲过,它的主要功能是在物理媒体上为数据端的设备透明传输原始比特流。那基于此我们需要学习物理层的那些方面呢,首先第一个就是一些通信基础或者说通信知识。因为数据通信技术呢就是网络技术发展的基础,所以一些比较简单的数据通信知识我们也需要掌握。那第二个呢就是要学习两个求极限的公式,那这个极限呢和数学当中的极限求法不一样,它只需要套这两个公式就可以求出数据的极限传输速率。那这两个公式呢分别是奈氏准则和香农定理。它们两个的主要区别就是在有噪声还是无噪声的条件下来区分使用的,那这个我们在之后会详细地讲解。接下来就要学习编码与调制,首先我们都知道的一个常识应该就是在数据通信的时候,不同计算机之间它们传输的东西是什么呢？传输的就应该是表示信息了,二进制数01的一些序列,那么在实际传输过程当中呢我们要把这种01表现成电信号的形式,也就是有电压、没电压或者是5伏、负5伏,有这种电压上的区别,也就是说我们要把数据转换成信号的这样一个形式。那么对应于信道来说,我们信道上面有模拟信道,或者是数字信道。模拟信道呢就是可以传模拟信号的,数字信道呢就是可以传数字信号的。那对于比如说计算机里面的数据来讲,计算机里面的数据呢通常都是数字信号。那数字信号如果要放到模拟信道上传输,我们就应该给它变成模拟信号,所以这个地方就需要调制。那如果有的时候我们需要把模拟信号转换成数字信号再放到数字信道上传输的话,这个时候我们需要的就是编码了,所以编码和调制我们有这两种技术,就是为了使信号在相应的信道上面进行传输。那第四部分呢就是要学习一些数据的交换方式。那这个主要针对的就是广域网,广域网来说。那广域网数据交换方式主要有几种呢,分别是电路交换、报文交换和分组交换。那至于这三种数据交换方式的区别呢之后也会详细地讲到。第五部分就是传输介质。传输介质啊顾名思义就是我们的数据或者是信号应该以什么为载体进行传输,那说一个比较常见的,就是那个家里的网线。那这个网线呢里面就是双绞线构成的,那么双绞线就属于一种传输介质。好,光纤、同轴电缆等等,这些也都是传输介质。当然还有一些我们看不见的传输介质,有卫星通信、微波通信,还有蜂窝无线通信等等,那这些呢都是我们摸不到的,那这种介质就叫做非导向传输介质。像刚刚所讲的看得到摸得着的呢这些都可以叫做导向性的传输介质。那最后一个部分呢我们就要学习物理层的设备了,那这一部分呢就比较简单了,我们只需要学习两个设备,分别是中继器和集线器。那以上六点呢就是我们在第二章要学习的主要内容了。其中2、3、4在统考当中呢比较常考而且分值占比比较大的,所以同学们一定要好好学习这三个部分。
那接下来我们就进入本节课的内容。本节课我们先来学习一下物理层的基本概念。首先,我们要知道物理层它的功能,主要解决的是如何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。那这个传输媒体呢就是刚才所讲的传输介质,包括导向型和非导向型。那这个传输媒体,或者说传输介质,也有人称之为是这个网络传输体系结构当中的第零层。也就是说我们要区分开这些传输媒体其实并不属于物理层,那到底什么属于物理层呢？物理层它的主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性,所以说物理层它主要定义的是一些接口的相关特性。那确定与接口有关的一些特性呢,这个过程其实我们也在定义一种标准。举个例子来说,这儿有一个插排,那插排上面呢有两孔也有三孔,这其实就是在定义接口上的标准。只有定义了这些标准,我们手机没电的时候才可以把充电器充在任何一个插排之上。那其次呢还有这样一个例子,比如说我们家里的这个有线路由器。那有线路由器后面呢都会有很多插孔大家都可以去看一下,那这些插孔呢具体来讲是有连到广域网又连到局域网的。但是大家都可以发现,这个你和你朋友家的路由器,它后面的插孔,这个形状,应该都是一样的。而且你们的网线的接头,应该也都是一样的。就是有一个水晶头,然后里面呢有几根相互绞合在一起的彩色的双绞线,那这些呢其实也是在定义物理层接口上的一些特性的标准。那只有定义了这些标准呢,当你把你家里的网线拿到你朋友家去上网的时候,或者拿到别的地方上网的时候,你才可以无缝衔接地插入到别人家的这个路由器上面。那接下来我们就看一下物理层所定义的一些接口特性,首先第一个就是机械特性,它定义的是物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况等。其实就是我们刚才所讲的这个插排,还有这个网线的例子。那接下来再来看第二个特性,就是电气特性。电气特性规定的是在传输二进制位时,这个二进制位啊就是说传输0101这些比特的时候,传输比特流的时候,线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等等。那像这些特性呢,大家不需要一字不差地背下来,只需要根据这个题目当中所给的已知条件来判断它究竟对应的是哪一个特性。举例来说,某网络在物理层规定,信号的电平用+10V~+15V表示二进制0,用-10V~-15V表示二进制1,电线长度限于15m内,那这些指的呢都是它的电气特性。接下来再来看一个比较容易和电气特性混淆的一种特性,就是功能特性。功能特性指明的是某条线上出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线的用途等等。那我在这里面标紫色的都是比较常考的点,大家要格外地记忆一下，比如说描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义,那这个对应的呢就是功能特性。其实可以这样来记啊,这个功能特性有的时候可能不会出现数字,它可能只会说这个高电平处于什么含义或者说处于什么意义,这个描述的就是功能特性。那电气特性呢通常都会有数字,结合数字而且通常说电压的时候就说的是一个电压的范围。这个电压范围表示0还是1,那这些说的就是电气特性的问题了。那我们再来看最后一个特性,那最后一个特性呢其实很好区分,它叫做规程特性或者叫做过程特性。它定义的是各条物理线路的工作规程和时序关系,所以说当你在题目当中看到规程、过程、时序这些字样的时候,毫无疑问就是第四个规程特性。那物理层接口特性的内容呢我们就先讲到这里,下节课我们将来一起学习一下数据通信的一些基础知识。
这节课我们来学习一下数据通信基础知识的第一部分。那讲到数据通信呢,我们就要对数据通信的整个流程有一个比较清晰的理解,那首先我们就来看这样一个典型的数据通信模型。那假如我们是拨号上网,那我们的电脑就会通过这个公用电话网把我们要传的数据经过这一系列的过程然后传给另一个端系统,传给另一个电脑。那假如说我现在这个打开了QQ,要发送一段消息：在吗？在干嘛？要多喝热水！那这一段消息呢是以文字的形式存在的,那这种消息是我们人能理解的。那么机器就要把它转化成机器所能理解的形式,也就是转换成数据。拿数据data呢其实就是一系列01的组合,那么计算机网卡它所发出的这些数据,在这个信号上或者说在电信号上面的表现,就叫做数字信号,是这样的。那接下来要经过一个调制解调器,那这个调制解调器是什么作用呢？它其实就是把这个数字信号调制成了这个模拟信号。为什么要调制成模拟信号？因为在我们这个例子当中啊,这个数据啊它是要经过公用电话网的,那这是一个广域网。在广域网当中呢,就有很多条模拟信道,那这些模拟信道是什么意思呢？模拟信道它就是能传模拟信号但是不能传数字信号的信道,所以我们就需要把这个数字信号转换成模拟信号才能够传过去。那么到了这边呢就要再经过这样一个调制解调器也就是一个逆过程把模拟信号再转换成原来的数字信号,也就形成了这个计算机它所能理解的一个数据的形式,也就是0101比特流的形式。接下来呢计算机内部的一些操作,再把这些0101的这个数字比特流的形式,转换成我们人类所能理解的这种文字的形式,转换成在吗？在干嘛？多喝热水！那至于把0101比特流转换成这些文字形式,这些我们能看懂的文字形式的过程呢,其实就是物理层以上几层所进行处理的过程。那在这里面我们不用做具体的展开,大家只需要了解数据从计算机网卡当中发出来变成数字信号,再经过调制解调器调成模拟信号以放到广域网上面的模拟信道上面进行传输,接下来呢再由这个调制解调器解调成数字信号,最后呢这个数据才展现在我们的眼前。那以上的每一个部分呢都有它所对应的数据通信当中的专业名词,比如说这个输入端我们就可以叫做信源,信源呢就是信息的来源。那接下来我们这个输入的数据就会发到这个发送器这儿。那这里面的这个调制解调器呢就可以作为发送器,接收端的调制解调器呢我们就叫它做接收器。那中间所要经过的这样一个公用电话网啊,就叫做一个传输系统,那这样一个流程,应该也很清楚了。同时呢我们还会把这些部分再分一下,像信源加上发送器这一块呢我们就称它为原系统,中间这一块呢就叫做传输系统,最后这一块呢就叫做目的系统。那这一部分的名词大家有一个了解,能对应上就OK了。那接下来我们再复习并且学习一下这个数据通信的一些相关术语。首先呢我们要知道数据通信的目的是什么,目的就是传送消息。其实这个概念呢就非常的宽泛了,不管我们是打电话还是发微信、发QQ,还是写信、飞鸽传书,这些都可以叫做通信。那我们通信的目的呢就是要把我们写的这些东西或者想表达的东西传送过去,也就是传送消息的过程。那这些消息呢,可以是语音、文字、图像、视频等等。那接下来再看这样一个概念就是数据,数据data呢它是指传送信息的实体,通常是有意义的符号序列。那在刚才的这个通信系统当中呢,我们的数据data其实就是0101这些二进制数的序列,因此呢我们就可以说数据通信是指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数01序列的过程。其实就是在说数据通信啊它归根结底就是在传输这些二进制数的序列,那接下来这些二进制数如何漂洋过海去找到它的接收端呢,就是要把这些二进制数转换成信号,信号呢就是数据的电气或电磁的表现,是数据在传输过程当中的存在形式。那主要有两个存在形式,一个是数字信号,另一个呢就是模拟信号。那数字信号也称之为离散信号,它代表消息的参数的取值是离散的。那模拟信号呢又称之为连续信号,它代表消息的参数的取值是连续的。模拟信号的图像是这样的,数字信号的图像呢是这样的。那相信这个离散和连续呢大家在学习高数的时候都能遇到,离散就是这样跳跃的,这样一种信号的形式。那连续的呢,就是这样可以连续不断地并没有明显性跳跃的图像。那大家也可以尝试着用导数的知识再来理解一下这两种形式。那讲完这三个概念——消息、数据和信号,再结合刚才的例子是不是同学们都很清楚了？在刚才的例子当中,我们传送的消息指的就是在吗？在干嘛？多喝热水。那这个数据啊其实就是计算机它把消息翻译成了计算机所能理解的语言,也就是有意义的符号序列,也就是二进制数01序列。那接下来这个数据呢再放到链路上面或者放到信道上传输的时候,就要以信号的形式存在。好,那么就是这个信号。那至于它应该是以数字信号还是模拟信号的形式存在呢,这个要取决于这个信道它是怎么样的。如果这是一个模拟信道,它只能允许模拟信号通过。如果这是一个数字信道,那它就可以使数字信号通过。接下来我们再来看这个概念,就是信源。信源是产生和发送数据的源头。信宿呢就是接收数据的终点,这都很好理解。信道呢指的是信号的传输媒介。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。其实这句话的意思就是在告诉我们,信道啊它是有方向性的,如果我给你发送数据,我往你的方向就会有一个信道。那如果你往我这儿发送数据,你往我这个方向就会有一个发送信道,当然这条你的发送信道呢也同时是我的接收信道。那么信道呢还会有一些具体的划分,按照传输信号来分呢我们可以分成模拟信道和传输信道。那按照传输介质来分呢,我们可以分为无线信道和有线信道。也就是我们在之前,在物理层开篇的时候所想到的。无线信道呢,可以理解为看不到摸不着的非导向型的传输信道。比如说微波通信啊卫星通信啊等等,那这个有线信道呢就是我们看得到摸的着的,比如说我们用的网线,用的光纤、同轴电缆这些,它们里面的信号传输媒介都称之为有线信道。那以上这些呢就是通过结合我们刚才的一个数据通信系统来了解的一些数据通信相关术语。
那么如果你是一个设计师,你要来设计一个数据通信系统,你需要考虑哪几个问题呢？首先第一个就是要采用单工通信、半双工通信还是全双工通信的方式。第二个就是要采用串行还是并行通信方式。第三个是采用同步还是异步通信方式。这些听起来呢有点复杂,我们接下来就逐一击破。
首先我们来看一下三种通信方式：单工、半双工和全双工。那么在讲数据通信之前呢我们先来想象一下人与人之间通信或者说人与人之间交流有几种方式呢？好,第一种方式就是你说我听着,比如说我们在做讲座的时候,只有这个老师或者这个教授他在讲话我们在下面是不说话的,只有一个人在讲,我们呢是沉默的大多数。那第二种呢就是两个人面对面的这样交流,你说一句我说一句,和刚才这种交流方式呢就显得更加平等了一些,两个人呢都是表达者也都是聆听者,只不过他们表达的时间是错开的。那么第三种人与人之间交流的方式呢就显得更加地激烈了一些,第三种方式就是两个人一起说,通常出现在两个人对撕的情况。那么对应到数据通信过程当中呢,其实也是有这种类似的三种通信方式。
首先第一个就是单工通信。单工通信指的就是只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道,也就是你说我听着。那类比生活当中的例子呢,就是广播,只有主播在说话,我们呢只是处于一个聆听者的状态。那第二种呢就是半双工或者说叫双向交替通信方式。顾名思义,就是通信的双方都可以发送或者接收信息。但是要注意的就是任何一方不能同时发送和接收,需要两条信道。为什么是两条呢？因为我们刚才讲过信道它是一个有方向的,就类似于矢量的这样一个概念。那么两个人如果都可以发送信息的话,那就应该有两个方向的信道,所以就有两条信道。常见的例子呢就是这个对讲机了,两个人在使用对讲机说话的时候呢,同一时间只能有一个人在讲话,另一个人在听着,但是呢你说完我就可以继续说了。第三种通信方式就是全双工或者叫双向同时通信方式。通信双方呢可以同时地发送和接收信息,当然也需要两条信道。那这个呢就类比于两个人在打电话,两个人都可以说话,都可以同时地发送信息。
那讲完这三种通信方式之后呢我们再来解决第二个问题。我们是采用串行传输还是并行传输呢？数据传输方式啊包括两种,串行传输和并行传输。首先串行传输指的是将表示一个字符的8位二进制数,按由低位到高位的顺序依次发送。首先,对于这个字符的概念大家应该要理解。这一个字符呢就是一个character,那这一个字符它是有8位的,也就是有一个字节的长度。那什么叫做由低位到高位顺序依次发送呢？也就是这样的,逐个比特的发送,就叫做串行传输了。那再来看并行传输,并行传输指的是将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。那结合这个图示呢就是发送方有8条信道同时发送每一个比特,也就是把一个字符刷的一下啊通过8条信道发送给了接收方。那再结合生活当中的例子我们可以想象一下,假如说呢我现在有一个面包店,我做了一个面包,那这个面包呢我会给它切成8片。那想处理到这8片面包有两种方式,一种呢就是找一个人他一片接着一片地把这8片面包吃完,也就是这种串行传输的方式。另一个方式呢就是找8个人,他们一人拿一片一起把它吃完,那这个就是并行传输的方式。那相信结合了这个例子之后,大家应该对这两种传输方式的特点有一个清晰的理解了。串行传输呢它的速度会更慢一些,因为我们是一个人在吃面包,所以他要吃很久,费用比较低,适合远距离。为什么这么说呢？这个是要结合并行来对比来看。我们可以想象一下,如果发送方和接收方之间的距离一样,采用串行传输我们只需要一条信道。但是采用并行传输呢,我们却需要8条信道,那么这个耗费的费用是不是就更高了一些,那因此对于远距离的方式我们通常采用串行传输,近距离的传输方式我们通常使用并行传输。那么在计算机内部的数据传输呢,我们采用的就是并行传输了。在集成电路芯片的内部呢同一个插线板上各个部件之间以及在同一个机箱内很多这个插件版之间的数据传输啊,都是采用这种并行的传输方式。好,同样,对于这个打印机,打印机和电脑的连接呢我们也可以看到有这样一个口。那这个口呢就叫做并口,并口呢就是实现并行传输的这个接口。
好,那第二个问题解决了之后我们再来看第三个问题：是同步传输还是异步传输？首先我们要理解一下什么叫同步传输。它指的是在这种模式下,数据的传送是以一个数据区块为单位,因此同步传输又称为区块传输。在传送数据的时候,需要先送出一个或多个同步字符,再送出整批的数据。那结合这个图示我们来看一下,如果要传送的数据字符呢有这四个,这四个字节它们就是一个数据区块。那我要传送这一个数据区块,首先我就要放置一个或者多个同步字符。在发送端的时候,就要添加上这个同步字符。那么接收端在接收的时候呢,发现了这几个同步字符之后就可以准备接收了,也就是实现了一个发送方和接收方的时钟同步。这个就好比在跳舞的时候,老师会先说5、6、7、8,相当于调整一下你和我之间的这个时钟。我们要保持节奏上的一致和同步,我才能跟上老师跳舞的这个节奏,也就是老师跳了一个什么动作,我就能跟上什么一个动作。接下来我们再看一下异步传输。异步传输呢是指将比特分成小组进行传送,小组可以是8位的一个字符或更长,发送方可以在任何时刻发送这些比特组,而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时呢,加一个字符起始位和一个字符终止位。也就是说在异步传输上,和同步传输的主要区别就是同步传输实现同步是要加字符的,加同步字符的。而异步传输要实现同步呢,是要加字符起始位和字符终止位。那讲到这里可能有同学会有这样一个疑问,我们不是在讲异步传输吗？为什么异步传输也是为了实现同步呢？那首先我们都公认的一点是计算机的通信过程和我们打电话是相似的,那人们在打电话的时候拨通电话之后确认身份之后,两个人就进入了通话状态。那么在通话过程当中呢,说话的人要说清每个字,而且每说完一句话都要停顿一下,那么对方呢也要适应这个说话人的语速,听清对方所讲的这么一个字,然后根据这个说话人的语气和停顿来判断下一句什么时候开始什么时候结束,这样才可以听得懂对方说的每一句话。那这是人们在说话的时候、在打电话时候,需要实现的一个同步问题。那么计算机在通信过程当中也是同理,它也要实现同步问题。很主要的一个同步问题呢就是要实现字符同步,那在字符同步下实现字符同步的方法,也就是这两种了,一个是同步传输,一个是异步传输,这样说大家应该都理解了。那接下来我们就回到这个异步传输来看一下,它是怎么操作的。比如说异步传输它发送了这几个字节,但是要注意的是,它和同步传输的区别就是在于在发送端它并不是连续地发送这几个字节的,而是它可能隔一会儿就发一个字节,心情好了发一个字节,那它就断断续续地发送字节。比如说我们再把这个字节三拿出来,这个字节三呢它是一字节也就是8比特,自低位向高位分别是b0到b7。那在发送端发送数据的时候呢它会进行一个操作来实现同步,也就是加上一个终止位和一个起始位。那这个起始位和终止位我们通常默认为零和1,当然反过来也是可以的。那异步传输的过程我们可以这样理解一下,每次异步传输这个信息呢都会以这样一个起始位开头,那这个起始位到达接收端的时候,接收端它就知道,数据已经到达了。那接收端在接收这个起始位的这样一个过程呢,其实就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间,那么接下来就可以接收这8个比特。那接收完这8个比特之后呢,它又会收到一个停止位,那这一个停止位表示的就是这一次传输信息的终止。那如果我们让终止位为1,起始位为0的话,也就是说在刚开始的时候,这个电平如果一下子变到零了,接收方就知道我可以开始接收数据了。那么接收完这8个比特之后呢,它就会收到一个终止位。那这个终止位我们说是1,也就是收到了一个1的电平,也就是一个高电平。那它收到这样一个高电平之后呢,就继续保持这个高电平直至又发来了一个新的起始位零,零所对应的低电平,它才知道,这个电平的跳变就告诉我,我应该开始接收下一个新的字节了,那这就是异步传输的一个过程。那异步传输的一个常见例子呢就是在键盘上敲数字,因为我们不确定什么时候大家心情好了就按了一个键,计算机对这样一个操作进行处理的过程呢其实就是异步传输。
那最后我们来总结一下这节课学到的知识。这节课我们是讲了数据通信基础知识的第一部分。首先我们来看了一个数据通信模型,并且结合这个通信模型呢,学习了数据通信的一些相关术语。那接下来我们就以一个设计者的身份,来想了一下究竟我们要设计数据通信模型要考虑哪三个问题呢？一个就是通信方式的问题,是单双工通信、半双工通信还是全双工通信,分别对应的例子呢就是广播、对讲机以及打电话。那接下来第二个问题就是是采用串行传输还是并行传输。那这个串行传输和并行传输的主要区别就是在于,是采用一个信道还是8个信道或者说是8的整数倍个信道。距离远的话我们通常使用的是串行传输,距离近的时候通常使用的就是并行传输。第三个问题就是,为了实现同步我们要采用同步传输还是异步传输,也可以说是同步通信还是异步通信呢？那这个同步和异步的主要区别啊就是说同步传输当中的发送方和接收方的这个时钟是统一的,就是保持一个相同的节奏。字符与字符之间的传输是同步没有间隔的,是以一个区块、是以一个block的形式,一个区块的形式来传输的。那异步传输呢,指的就是并不要求发送方和接收方时钟完全一样,字符和字符之间的传输是异步的。有的同学呢可能会问到串行并行以及同步异步它们这两块又有什么区别呢？我们还是可以结合刚才讲这个吃面包的例子。假如说我们这儿有一个面包,我给它切成了8片,那如果我找一个人连续地吃完这8片,就是串行传输。如果找了8个人一人一片把它吃完那就是并行传输。那同步传输和异步传输在这个例子里又是什么意思呢？那就是如果我现在要做很多的面包,如果我马不停蹄地无间隙地做,那么你就要无间隙地吃,那这个是不是同步传输。至于你是一个人吃还是你找一个团队吃,这个就是串行和并行的事儿了。那异步传输的意思呢就是我可能会根据我的心情啊来做面包。我可能做了一个之后休息一会儿再做第二个,那你呢自然也就是断断续续地吃面包,那至于这个面包你是一个人吃完还是找几个人一起吃,这个就是并行和串行传输的事情了。至此,数据通信基础知识的第一部分就先告一段落,下节课呢我们要来学习一下数据通信基础知识的第二部分,也就是有关于码元、带宽、波特等等这些有关于数据传输速率的概念。
学习一下数据通信基础知识的第二话。
那在这一块当中呢我们将会学习几个有关于数据传输速率的术语，包括码元、速率、波特和带宽。
那首先我们就来看一下什么是码元。码元的定义先放在这里，我们先结合一个例子来学习一下。现在有两台主机A和B，中间呢就是它们一个链路。那我把复杂的网络情况呢就先忽略到只用这样一条链路将这两个主机连接起来。那现在主机A呢它产生了一些数据要发送给B，数据呢在上节课当中讲过，就是一系列01的这样二进制数的序列组合。那如果要把它放到链路上面传输，就一定要把这个数据转换成信号的形式，那也就是转换成数字信号的形式。那在这里面，1对应的就是高电平信号，0就是对应低电平，1高电平，依此类推。
那A开始发送数据，首先呢它把第一个比特把1发到了链路上面，那在这个链路上面它显示的电信号就是一个高电平信号。
接下来它发送这样的比特0，那这时候呢第二个比特在链路上面表示的信号形式就是一个低电平信号。
依此类推，A把所有的这些数据全部放到链路上面进行传输，
那到了B这边呢B就要开始逐个比特地接收。首先它会收到第一个，它所看到的呢是一个高电平，那看到这个高电平它就知道，高电平对应的是1，那它就把这个高电平转换成1这样1个比特吸收或者说接收。
那接下来它就看到第二个电平是低电平，那它意识到这是一个0，这是一个二进制数0，那么就把这个0接收，依此类推呢把剩下所有到来的这个信号全部转换成对应的这样一个数据形式并且接收。
那么在这个例子当中，什么是码元呢？其实这每一小段它就是一个码元，每一小段就是一个码元。
因此我们说码元它指的就是用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）来代表不同离散数值的基本波形，是数字通信当中数字信号的计量单位，这个时长内的信号呢就称之为k进制码元，而该时长称为码元宽度。好那到这里我们先来看一下，这每一段呢就是一个码元，而这一段的时间长度我们就称之为是码元宽度。
那接下来就有一个几进制码元的说法。当码元的离散状态有m个时，这个时候码元就是m进制码元。那我们看一下在这个里面它有几种离散状态呢？很明显这里面码元的离散状态，也就是这里面所对应的这个信号波形的状态只有两种，一低一高，那么这个就叫做二进制码元。那我们可以想一下，如果这个波形啊它有四种，四种高电平的波形，那这个是几进制码元呢？当然它就是4进制码元了。那这些不同进制的码元，它们区别是什么呢？区别就在于它们所携带的这个比特信息量。比如说在这种情况，在这个二进制编码、二进制码元的时候，我们看到只有两种不同的码元，一个代表0状态，一个代表1状态。所以在二进制编码当中呢，一个码元呢它包含的只有1个比特的信息量。那么在4进制码元当中1个码元它可以携带多少个比特呢？
也就是我们来研究一下对于这样一个4进制码元它的一些相关信息。那如果是4进制码元我们就知道，码元的离散状态有4个，或者说这种信号波形的表示有四种。那我们接下来就要想了，究竟我们要用多少位或者说多少个比特才能够表示出来4个信号波形、4个离散状态呢？这个答案应该非常的简单，也就是我们需要用两个比特就可以表示出四种状态了，两个比特呢就可以表示00、01、10、11，那这四种状态呢就可以对应四个码元，四个波形。
所以说啊这个四进制码元呢，就可以携带2个比特的信息量。那我们接下来再问一下，如果是16进制码元，它可以携带多少个比特信息量呢？我们还是可以按照这种思路来思考一下。如果是16进制码元，那么也就是说码元的离散状态应该有16个，因此呢对应着就应该有16种高低不同的信号波形，那我们就想，应该有几位或者说几个比特才能够表示出16种状态来呢？自然就是要需要4个比特。也就是4位的01序列能表示出16种高低不同的信号波形。所以说这个16进制码元，它一个码元可以携带的比特的信息量也就是4，也就是它可以携带4比特。
好，了解了码元之后呢我们就可以来学习一下数字通信系统当中数据传输速率的两种表示方法。
那这个数据传输速率呢其实就是数字通信系统当中的一个性能指标。这个速率呢也叫做数据率，指的是数据的传输速率，表示的是单位时间内传输的数据量，可以使用两种表示方法，一个是码元传输速率，另一个就是信息传输速率。
首先我们来看一下什么叫做码元传输速率。顾名思义呢，它指的就是在单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，当然题目当中有的时候也会说脉冲个数，或者说信号变化的次数等等。
那这里面注意有一个坑啊，就是如果这个信号，它是这样的，就是有两个低电平它们俩是连续的，那这个信号有没有变化呢？也是有变化的。因为它是从一个信号变到了另一个信号，或者说从一个码元到了另一个码元，这其实也是发生了变化，也应该记录到这个信号变化次数当中以及脉冲个数当中。
那要注意的是码元传输速率的单位是什么，是波特（Baud），大写B，简写大写B。那1个波特呢表示的就是数字通信系统当中每秒可以传输一个码元。
所以说码元传输速率指的就是一秒可以传输多少码元。
那我们接下来做一个小的例题检验一下。如果2s内传输4800个码元，那么码元传输速率是多少？这个非常简单了，4800/2=2400B（波特）。那这个2400记得要加单位，波特，大写的B。
那要注意的是数字信号呢它是有多进制和二进制之分的，就像就是我们刚才所讲的有k进制码元。但是码元速率呢是与进制数无关，只与码元长度有关。
码元长度是什么呢？就是刚才我们所讲的，这一小条它所占的时长，就是码元的长度或者说码元的宽度。那码元的速率与码元长度的关系呢就是这样的，RB=1/T（B）。那这个公式呢大家要在理解的基础上面来记忆。而且这个公式也在告诉我们，码元的传输速率归根结底只和码元长度，也就是说跟这个码元，一个码元所占的时长有关，是与进制数无关的。
那接下来我们再来看一下另一个表示数据传输速率的方法，就是信息传输速率，它又叫做信息速率、比特率等等。它表示的呢是单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，或者说是比特数。为什么我们可以用二进制码元个数来代替这个比特数呢？因为在刚才的例子当中啊我们就看到了，如果对应的是一个二进制码元的话，它一个码元对应的就是一个比特，包含这是一个比特的信息量，所以二进制码元个数A、K、A，比特数，单位呢就是比特每秒。
也就是说信息传输速率它指的是一秒可以传输多少个比特。那讲到这里，这两种表示方法它们之间有什么样一个关系呢？
如果一个码元它携带了nbit信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率就是M*nbit/s。这里应该很好理解吧，假如说在这样一个数字通讯系统当中，它的码元传输速率是2Baud，也就是说一秒可以传输两个码元，而同时又告诉你了这一个码元呢它携带的是2bit的信息量，那么问你在这个通信系统当中信息传输速率或者说比特率应该是多少呢？自然要用2Baud/s*2bit/Baud=4bit/s。
做几个思考题，来看一下大家对于这个码元以及码元传输速率还有比特率的掌握情况。
四进制码元，也就是有四种离散状态，或者说有四种波形。那我们想有几位比特位可以表示四种波形呢？自然就是两位，那这个两位可以用log2（4）用这种方式来表示。
那如果把这个4换成N，那我们自然就可以有log2（N）来求出我们需要多少比特来表示一个码元，或者说一个码元它应该包含多少比特的信息量。
那最后一个问，指出哪个系统传输速率快？通常来说呢信息传输的是比特流，所以要比较的就是信息传输速率，所以根据这个数值，很容易判断出来十六进制码元通信系统传输速率较快。
那接下来我们再做两道思考题。
这儿要注意的是，这个大写B啊它又可以表示波特（Baud），同样呢又可以表示字节（Byte），但是这个波特呢它是一个速度单位，这个字节Byte呢它是一个存储单位，我们要根据不同的语境来具体分析。试问变换成二进制数字信号时的传输速率应该是多少？在刚才呢我们讲过，二进制这个数字信号其实就对等于这个比特数，因为在这个二进制码元当中呢一个码元对应的就是一个比特。那我们要求八进制转换成2进制的传输速率是多少，其实也就是在求八进制数字信号它的这个比特传输速率应该是多少？
看第二问。
三道题都做对说明你码元这一块已经掌握的很不错。
那带宽呢其实我们在第一章也有接触到，我们再来复习一下。当然在这个模拟信号系统当中呢，并不是我们要考查的点，所以大家清楚就可以了，清楚这个带宽呢它其实是一个多义词，在不同的领域当中它表示的是不同的意思。
那我们在学计算机网络的时候呢，要考查的呢就是这个意思。注意在这个计算机网络当中，或者说在数字设备当中我们所使用的带宽它的单位是比特每秒（bit/s；bps；b/s），那这个带宽呢其实描述的就是这个信道的一种性能，而且是这一个信道的最优性能。
结合一个生活当中的例子来看一下，假如说呢这是一个高速公路的车道，那这一个车道呢，只能通过这样一排车。那假设我们这些车的车速都是一样的，而且没有出现堵车呀插车呀车祸的等等这些情况。也就是说这些车它按顺序而且保持相同的速度进入这个车道。那么在这里面假设第一个车从进入这个高速公路到最后一个车进入高速公路它所花的时间是一秒的话，那我们就可以说在这一秒内这个高速公路当中送进来了5辆汽车。
那接下来再看第二个。那第二个高速公路的通道呢，它就更宽了一点，这个宽度就可以使得它容纳两排车。同样这些车和上面的5台车保持相同的车速，而且没有任何交通事故的情况下，它们这10台车依次地按照相同的速度进入这个高速公路。那么从第一排的这两个车当进入高速公路开始，到最后这两个车进入高速公路为止，这一段时间也是一秒。那在这一秒内呢，这个高速公路就把10辆车送上路了。
那么在实际通信过程当中呢，这个带宽也是一样的道理。如果这个带宽越大，或者说这个带宽更宽的话，就拥有更大的信息运送能力，它一秒当中能够运送到这个信道上的比特数就越多。
所以这个最高数据率呢也指的是最高的传输最高的数据传输速率。下节课我们来学习一下两个重要的公式，奈氏准则和香农定理。
在考研当中第一波要重点考查计算的知识点，就是有关于奈式准则与香农定理的考查。
失真，顾名思义就是失去真实性。那在计算机网络当中呢，主要指的就是信号它和本身传的时候，一个在开始的时候，信号它发生了一些扭曲和变化。
那我们来看这样两种情况。首先我们在发送端发送这样一个数字信号的波形，那在这个现实的信道当中呢，它肯定会有一些带宽受限，所以有一些高频的信号就传不过去了，然后还有噪声和干扰，所以就会导致我们这个信号呢最后跟刚开始发送的不太一样，就会有一些磨损有一些衰减，就是这样子的。但是我们可以看到即使是这样的一个扭曲的波形，我们还是可以根据它来识别出或者说读出我们最开始发送的数据是什么样的一个规律。
那另一种情况呢，还是发送一样的信号波形，一样的数字信号。经历了这样一个现实当中信道的干扰、噪声、带宽受限等影响之后呢，它在接收端接收到的波形就是这样了。那可以看到这样一个波形我们就很难再识别出来我们发送信号究竟发送的数据是什么样的。
那这两种情况呢实际上都叫做失真，不过呢第一种它是有失真但是可以在接收端识别。
那第二种情况，这个时候就是失真大但是在接收端无法识别。因为它失真已经非常严重了，在接收端就没有办法判断我发的这个码元究竟是1还是0。
那对于这种失真的现象呢，我们受影响的有几个因素。第一个就是码元传输速率，那码元传输速率如果越快的话，也就会导致我们这个信号失真的程度就越严重。
那第二个，就是信号传输距离。距离越远，衰减就越久，干扰也就越久，因此我们对于信号的影响也很大。
那第三种就是噪声干扰。那噪声干扰呢当然越多，我们这个信号就越容易失真。
第四种就是传输媒体质量。那这个传输媒体的质量越差的话，那在接收端接收到这个波形的失真自然也就越严重，所以可以看到前面三种呢其实是正相关，后面这样一种是负相关的关系。
好，那我们讲了失真之后啊，有一个非常重要的失真现象，也是我们在考研当中要引申出奈式准则的这样一个现象，就叫做码间串扰。首先呢我们来看一个预备知识。信道带宽，假如说我们在传送数据的时候，我们是通过这个电话路网，那我们知道这个电话线上面是一个模拟信道，所以在模拟信道传输一定要使用模拟信号。那么我们就要把我们发送的一些数字信号进行一个调制的过程。可以看到我们可以调制成很多种信号，那在我们信道的实际传输过程当中呢，这个信道上其实布满了各种各样频率的信号，那可以看到这种比较宽的、比较胖的就是低频的信号，稍微低频一点。因为如果是相同时间内呢，它振动的次数要比下面的次数都少，所以它叫低频。那再往下，这个稍微快一点。那它的这个频率呢，300HZ也要比200HZ要更快。那这个HZ其实指的意思就是一秒当中可以振动的次数。那再看下面这一种，这一种振动就更快了。它的这个频率呢是3300HZ，那最后这一种最快，是4000HZ。
那对应左边的这些数字呢其实都叫做信号的带宽。它对应的是这个信号的带宽，300HZ对应的是这个信号的带宽。那我们可以看到这四种信号并不是全都可以通过电话线进行一个传播的。上面的这种200HZ以及最下面4000HZ是不能通过的，而中间的才可以通过。
那么中间可以通过的最高和最低频率之差，就是信道带宽。那在这个例子里面呢，最高的可以通过的频率是3300HZ，最低可以通过的频率是300HZ，
因此信道带宽就是3000HZ，作差就可以了。那我们可以看到上面这个200HZ不能通过的原因是为什么呢？好，就是因为它这个振动的频率太低了，所以它在这样一个非常复杂的电话线上传输传播的过程当中呢非常容易受到衰减、受到损耗，所以最后导致它可能都衰减没掉了，那因此它就不能通过，不能通过。那4000HZ为什么呢？4000HZ其实就是要讲的码间串扰的问题。因为我们这个4000HZ的信号啊，它振动的次数或者说振动的频率和速度太快了，那振动的频率太快呢就会导致我们接收端在接收的时候区分不出来它们这个波形之间的差异，所以就会导致码间串扰的现象。
那码间串扰就是指接收端收到信号波形失去了码元之间清晰界限的这样一个现象，就叫做码间串扰。为什么我们可以把这个码元和信号结合在一起呢？因为我们知道啊这个信号，如果它这个振动次数、这个频率越快的话，是不是就说明我们码元的传输速率就越快。因为我们信号和这个码元其实是一一对应的，一种码元对应一种信号，那因此这个信号变化的速度快，码元变化的速度自然也就很快，所以码元传输速率和这个信号的频率其实是对应的关系。那计算机网络当中的码间串扰就是指这个码元的传输速率太快了，导致呢我们这个码元之间界限就不清楚，分不清是0还是1。
那在实际生活当中也有这样的例子。比如说有一群人要从你面前经过，那你要挨个查数。你要查总共在你旁边经过的人数。
那就让这些人开始走，
好我们可以看到这些人非常的多，那可能在接收端也就是在你这边查不出来了，
已经查到眼睛充血还是查不出来这些人是多少，因为他们实在是走的太快了，所以导致他们每个人之间的距离就非常的近，那因此呢我们就很难区别出啊这个人和下一个人之间的一个距离，啊导致都像是重影了一样，像一条影子一般这样砸过去，所以这个其实就是我们码间串扰的现象。就是说码元它们因为传的太快了，码元的传输速率过快，导致码元在接收端的时候距离过近，那码元之间的界限呢就不清楚，这就是码间串扰。
那为了解决码间串扰这种问题呢，就出现了一个非常nice、非常棒的一个准则，就叫做奈式准则，它也叫做奈奎斯特定理。
奈式准则呢就是由奈奎斯特在1924年推导出来的一个定理。它规定的就是在理想低通条件下，为了避免码间串扰，定义极限码元传输速率是2W Baud，其中呢W是信道带宽，单位是Hz。理想低通的理想，指的就是我们这个信道，是没有噪声的，没有电磁干扰的。也就是说你这个信号在传输的过程当中，不会受到外界的影响。低通呢，指的就是带宽受限。为什么叫低通？因为我们知道这个信道啊它是有带宽的，带宽指的就是最高频率减去最低频率的一个差，那所有低于最高频率的信号，都是可以通过的，所以叫低通。低于最高频率的可以通过，就是低通的意思。那低通其实就是带宽受限的意思。为了避免码间串扰呢就会有一个规定，码元传输速率不可以是无穷大，一定要有一个上限值。而这个上限值呢奈式他就给我们推出来了，是2W。其中的W就是信道的带宽，单位采用的是Hz。我们之前讲带宽的时候呢，说在计算机网络当中通常使用带宽的单位都是比特每秒，但是要注意的是在奈式准则以及香农定理这两个公式当中，
我们使用的带宽的单位都用的Hz。好，这个是考研当中要注意区分的一个点。当然我们在做题的时候它会给你，它会直接给你这个信道带宽是多少Hz，那这个时候你就可以只想到要用奈式准则或者是香农定理来求。
我们来看一下如果这个码元传输速率比较慢，
那我们的信号可以看到就非常的清楚，它就比较胖，
那接收端呢就可以清楚地分辨出1010，分辨出这个码元的界限，识别出每一个码元。
但是呢我们这个码元传输速率如果过快的话，
就像我们刚才举的例子一样，
太快了，
我们在接收端的时候根本分不清谁是谁，它们彼此之间没有一个清楚的界限，因此就达不到识别每一个码元的目的。所以呢规定码元传输速率的极限值就是2W Baud。
那在考研当中呢，为了
混淆同学，我们还会再求一步极限数据率，极限传输速率，使得这个奈式准则看上去好像和香农定理很像，但是要注意它们俩侧重点不一样，奈式准则呢只是限制码元传输速率有一个上限，但是香农定理才是真正地限制这个信息的传输速率，也就是比特率有一个上限。
那我们看对于奈式准则，怎么求极限数据率呢？就是用2W Baud，也就是码元极限传输速率，乘以这个以2为底的V的对数。
那这个V是什么？它指的就是有多少种码元，或者说是码元的离散电平数目。那在题里面可能就会说啊，我们这个信号当中呢，是有四种相位，那也就是说我整个这个波形有四种，四种波形的状态，也就对应着四种码元。那直接代入这个V就可以了。
W呢就是刚才所说的带宽，单位强调一下是Hz。
那根据奈式准则呢我们可以得出以下四条结论，第一个就是在任何信道当中，码元传输速率有上限。这个不用说，因为超过上限码元传输速率太快，就会严重出现码间串扰的问题。也就是说这些码元它们之间没有清晰的界限，在接收端呢就没有办法清楚地识别出来每一个码元，所以就使得完全正确识别成为了不可能。
第二个结论，信道的频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。那这句话的意思说的就是，如果我们公式当中啊，这个W越大，那对应着我们码元的极限传输速率自然也就是越大了，就是这样的，所以才会使用更高的速率进行码元的传输。那这里面说频带越宽，为什么说通过的信号高频分量越多呢？频带越宽呢指的就是我们这个信道当中最高频率与最低频率的差，差距就越大，所以就是越宽。那因此对应的我们信道当中可以通过的高频也就更多了。比如说原来最高频可能只能到4000Hz，那现在我们频带提高了，带宽变高了，那我们可以通过的最高的高频分量可能就是超过4000了，因此这个能通过的信号高频分量也就越多。
那第三个结论就是，奈式准则给出的是码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。可以看到我们奈式它推导出来的结论就是说，对于码元为了避免码间串扰的问题，它会有一个上限值，就是2W波特。
但是呢它没有说这个比特率最高是多少，所以就得出我们第四个结论。由于码元传输速率是受奈式准则的制约，所以如果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的比特信息量，那自然就要采用多元制的调制方法。那原来我们对于一个码元呢它就是对应的是一位二进制数，那如果我们想让它这个信道的极限传输数据速率更高的话，那因此使得一个码元就应该携带更多的比特位，也就是说码元的种类更多，可能要用两位或者三位、四位二进制数来表示每一个码元，这就是多元制的调制方法。
那我们来结合这个奈式准则的公式，
来做一道题。
这一道题其实结合我们上一节课编码与调试的内容，4个相位，每个相位四种振幅，那这种调试技术呢就是调相和调幅结合在一起。
那对应着4*4，信号呢就是有16种变化。因此就对应的是16种码元，就把16代入到这个V里面，W呢就是3000Hz。那注意这个单位，公式当中的单位呢是Hz，那如果题目当中给的是几千Hz的话，就要10乘以10^3，3000，就是3*1000Hz。
所以我们这个最大数据传输率呢，也就是比特率，就用2*带宽W再乘以这个以2为底的V的对数。V呢就是多少种信号，多少种码元。16种，所以就是4，那最后的数据传输速率的极限值就是24kb/s。那这个就是奈式准则的一道练习题。
接下来呢我们就来讲一下香农定理。因为我们刚才说奈式准则只是规定最高的极限码元传输速率，但是它并没有规定这个比特传输速率最高是多少。而香农定理呢它就是来解决这个问题的。香农定理和奈式准则相比呢，不仅定义了在信道当中传输的比特极限传输速率，同时啊它还考虑到了信道当中实际会存在的电磁干扰，也就是噪声的影响。
那这个噪声是存在于所有的电子设备和通信信道当中的，由于噪声是随机产生，它的瞬时值呢有可能会很大。所以当噪声很大时，对接收端对码元的判决就会有非常严重的影响，接收端可能就分不出是0还是1。但是呢这种噪声的影响是相对的，如果信号较强，那么噪声的影响相对来讲就比较小，因此就会有信噪比这样一个参数来衡量噪声对我们信道究竟有多大的影响。那这句话其实很好理解，如果信号强，那么噪声影响相对较小。就好像我们在上课的时候，那课堂上可能有一些学霸，那也有一些学渣。那学渣呢他们可能在上课的时候就窃窃私语在下面说话，那他们的声音是对于这个好学生的影响是要看老师的声音多大。那如果老师的声音非常大的话，他们在上面叽叽喳喳，其实还是影响不到好学生接收老师的信息。但是如果这些学渣他们的声音特别大的话，吵的非常严重，那就会对于这个好学霸对于老师的接收有非常严重的影响，可能就听不太清老师在说什么了。那这个时候呢噪声的影响就是比较大的了。
那么我们看一下信噪比。它定义的就是信号的平均功率比上噪声的平均功率，那这个题目当中啊都会给实际的信噪比是多少，而不会让我们去再去做进一步的计算。信噪比通常记为是S/N，并且用分贝dB来作为它的度量单位。
也就是信噪比，如果是dB做单位的话，就等于10倍的以10为底的（S/N）的对数。那这个公式大家一定要记住，因为考试当中啊它不一定给你的是S/N，还是这个以dB为单位的信噪比。它们都叫做信噪比，只不过是衡量单位不一样。就好像我们科学计数法，如果1000，1，后面4个0，这是一种表示方法。同时呢还可以用科学计数法表示，就是1*10^4。那如果用科学计数法表示呢，就会使得我们这个看起来非常美观非常直观，但是如果把所有的0全都写上去，那如果上到亿万的话，那这个数得写很长很长。那信噪比用dB表示就是为了就是为了让我们看起来更加直观而已。比如说我们这个S/N，如果噪声平均功率比较小，但是信号平均功功率非常强，那它们俩的差距很大很大的时候，那这时候取一个对数就会使整个这个数值在形式上面变小，并且用分贝来作为一个单位。
但是我们要知道其实它们数值是等价的，只是表示方式上有所不同。那在考试当中一定要看好，究竟给的是dB为单位，还是只是给了一个没有单位的比值。这个是它们两个的区别。
那香农定理其实就是在带宽受限而且有噪声的信道当中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有一个上限值。那这个上限值呢就是香农公式当中要求的。要注意，香农定理的一个条件，是要在带宽受限而且有噪声。但是刚才的奈式准则呢，它的这个条件是没有噪声，同时带宽也要受限。那为了不产生误差，这个意思就是说接收端可以清楚地分辨出这个码元分别是多少，接收端可以清楚地看出这个波形是什么。
所以对于这个信息传输速率呢就会有一个极限值，那这个极限值怎么求，就是用W*（log2（1+S/N）b/s）。单位和刚才一样，都是比特每秒，因为信息传输速率也就是比特率，单位是比特每秒。
我们来看一下S/N，
就是刚才说的信噪比，是信号平均功率比上噪声平均功率，题目当中都会直接给S/N。但是要注意如果题目当中说这个信噪比是1000，没有分贝，没有单位的话，那直接代入就可以。但是如果题目当中说这个信道它的信噪比是30dB，30分贝，那就要先通过这个公式，求出S/N，再代到这个极限数据传输速率的公式当中来求是多少。但是题目当中啊，通常都会给我们这个以dB为单位的，因为这样可以让大家多算一步。
那再来看这个W，就是和刚才一样的带宽。注意单位呢也是Hz，而且只有在香农定理和奈式准则这儿，求极限传输速率我们使用的带宽，单位才是Hz。
那当然香农定理呢，根据这个公式我们可以得出一系列的推论。首先第一个就是带宽，或者信道当中的信噪比越大，极限传输速率就越高。这个由公式显而易见，W越大，S/N越大，速率也就越大。
第二个就是对于一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。当然这个公式放在这儿如果你未知数全都有，全都给出条件了，那这个极限传输速率自然也能求出来。
第三个，只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。这个也很容易理解，如果我们这个实际的传输速率呢都小于极限值，那就说明这个是OK的，我们这个速率是OK的，而且呢也可以通过一系列的方法，来实现我们不产生误差的问题。也就是说可以通过某一些手段，使得我们接收端可以正确地接收发送端所发送的波形。
那第四个推论就是香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道呢能达到的传输速率要比它低不少。这个极限值只是一个理想的，求出来的极限值。但是在实际生活当中呢这个噪声非常的大，而且呢有很多的不可测的原因，所以就会使得实际信道的传输速率要很低。
那第五个就是，从这个香农定理可以看出呢，如果W和S/N没有上限的话，那么信道极限传输速率自然也就没有上限了。当然这个带宽和信噪比是不可能没有上限值的，这个在这里面就不做探讨了，大家只需要知道这个公式怎么求，然后每一个参数代表的是什么意思，以及这个信噪比用的是S/N，是一个没有单位的比值，而并不是分贝。如果题目当中给分贝就先换一下，换算一下，求出S/N再代入就可以了。
那香农定理呢，我们还是一样，找一道练习题来练习一下。这道题就是一道非常标准的用香农定理的题，因为它电话系统啊就是我们在实际生活当中的一个这样一个实际系统，那实际系统呢一定会有噪声，所以遇到噪声我们第一个想到的就是香农定理的公式。那就把这些数值分别代入，但是这里面注意信噪比它给的是30dB，30分贝。
所以就要先把分贝和这个S/N进行一个换算，用30分贝求出S/N是多少。
是1000，那再把这个1000和W所对应的3000Hz代入到这个传输速率的公式当中，就等于约等于30k比特每秒（30kb/s）。那求到这儿，这道题就算做完了。好，香农定理和奈式准则呢我们都分别讲完了。但是在考试当中啊，它不会告诉你你用哪个公式，这个是你要自己判断的。
那接下来我们就来讲一下它们两个的区别以及在题目当中应该如何选用这两个公式。由于奈式准则和香农定理它们的诞生原因以及侧重点不同，
所以我把它称之为内忧和外患。
之所以称奈式准则为内忧，就是因为它是指在带宽受限、没噪声的理想条件下，为了避免码间串扰而推导出的这样一个准则。那这个准则推导出的结果就是码元传输速率有一个极限值，是2W波特，W是带宽。那码间串扰其实就是我们这个信号本身的一个性质，如果码元传输速率太快，就会导致我们最后的信号非常的紧密，也就是说在接收端它很难分辨出谁是0谁是1。这就是码间串扰的一种现象。所以我们就要限制码元传输速率，发送速率要有一个上限值。
而香农定理之所以称之为外患呢，就是因为它是在带宽受限，而且有噪声条件下这样定义的一个信息的极限传输速率。那噪声呢对于我们信道或者说信号来说其实就是一种外界影响，那面对这种外界影响呢，我们就要限制我们信息的发送速率，有一个极限的值。那奈式准则和香农定理虽然侧重点不同，一个侧重的是码元传输速率，另一个侧重的是比特传输速率，也是数据率。但是在考研过程当中呢，我们通常，如果要计算的话，都要计算数据的极限传输速率。
那对于奈式准则来说，它的这个计算方法就是2Wlog2V。那这个V呢其实指的就是有几种码元，几种波形，几种信号都可以。
那香农定理的公式呢，就是W*log2（1+S/N）。W还是对应带宽，而且和这个W一样，单位都是Hz。那这里面的S/N呢就是信噪比，题目当中给的S/N啊，通常都是分贝，以dB为结尾的。然后这种度量呢我们就要先给它转换成S/N这种没有单位的比值，再代入到这个公式里面来求极限传输速率。
那奈式准则呢如果要提高这个极限传输速率的话，就要提高带宽，或者说采用更好的一种编码技术，其实也就是在提高V，使得每一个码元它可以承载的比特数更高。比如说原来是一个码元对应一个比特数，那如果我们要提高极限数据传输速率，提高极限比特率的话，我们就尽可能地让一个码元对应多个比特。那这种编码技术就可以使数据率有一个提高。
而香农定理如果要提高数据率呢，就要提高带宽或者是信噪比，就是两个参数。那可能有的同学看到这儿就会想，在做题的时候怎么选择这两个公式，就看题目当中如果给了噪声的条件，我们就用香农定理。如果没给噪声条件，就用奈式准则。这种说法呢其实不全对，如果说这道题里面没有给噪声、信噪比的条件，香农定理肯定不能用，那自然用的就是奈式准则。但是如果这道题给了信噪比，同时呢它也给了这样一个V，也就是说一个码元对应多少个比特，这个也给了，那两个准则两个公式就要都算一下，然后呢取其最小值。因为这两种都是极限传输速率，所以要在两个极限当中选更小的那个极限值才是我们实际上的最大值。
那来一道题。那这道题可以看到，4kHz带宽，两个公式都要有的。127：1信噪比，而且呢不是分贝的形式我们可以直接代入。那二进制信号指的其实就是二进制码元，也就是说一个码元对应一位比特。那如果是四进制信号呢？四进制信号指的就是一个码元它是可以对应两个比特的，四进制信号指的就是有四种码元或者说四种信号、波形。所以说四种信号、波形自然就可以用两位的比特来表示，00、01、10和11。所以二进制信号也就是告诉了我们它这种编码技术其实就是一码元对应一比特。
所以我们要代入到两个公式当中分别来求。对应的奈式准则，就是2*4kHz*log2（2）=8000bit/s。那这个香农定理呢就是4kHz*log2（1+127）=28000bit/s，求出来这个极限传输速率呢就是28000bit/s。那在这两个极限值当中呢，当然在两个最大值里面要选相对来说较小的那个最大值才是实际上最大的可达到的数据率。
也就是8000bit/s。有关于奈式准则和香农定理的计算，以及它们俩要解决的问题我们就讲到这儿。
学习这个数据的编码以及信号的调制。那这个编码和调制呢其实在我们生活当中也比较常见，比如说我们在听这个收音机的时候它会说欢迎收听FM109.7。那这个FM呢其实就是一种调制的手法。那今天我们就来看一下编码和调制在计算机网络当中是什么样一个过程。
首先呢学习这样一个预备知识，基带信号与宽带信号。
我们之前学过信道，它是信号的传输媒介。然后根据这个信道呢从两个方面呢我们可以给它分成，首先按照传输信号分成模拟信道以及数字信道。模拟信道传送的就是模拟信号，数字信道呢传送的就是数字信号，这个很好对应。
那另一种呢就是从传输介质来分，可以把信道分成无线信道以及有线信道。那通过无线电波通过空气这种传播的方式就是通过无线信道。那比如说光纤、同轴电缆、双绞线等等通过这些有线的、实实在在存在的物理介质就是有线信道。
那这个基带信号和宽带信号呢其实是我们信道上传送信号的两种形式。那我们知道除了这个数字信号和模拟信号，还可以把它的这个信号啊，把信道上的信号分成的就是基带信号和宽带信号，所以是从两种不同的分类手段来分的。
那我们来看一下基带信号，
它指的就是将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上进行传输，这种传输方法呢叫做基带传输。然后我们再来具体展开一下，因为这句话大家可能不太理解啊。
基带信号就是来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或者是图像文件的数字信号，都是属于基带信号的。那基带信号呢就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如说我们说话的声波就是基带信号。那这一段文字其实最重要的点就是来自信源的信号就可以是基带信号，那当然这个信源可以有很多种，可以是我们人类，也可以是计算机。那如果是计算机呢，它就会通过网卡发出的是数字信号，因为我们知道这个计算机内部的它的语言就是0101，所以它通过网卡发出的信号自然就是高电平、低电平这样的离散的数字信号波形。而人类在说话的时候这种声波呢是模拟信号，大家都见过这个声波的图像就是模拟的这个高低起伏的声波的图像。所以说，这个基带信号它可以是数字信号，也可以是模拟信号。但是我们在计算机网络当中呢，用的就是数字信号了。因为计算机设备网卡它发出的就是数字信号，而这种发出的数字信号呢放到数字信道上进行传输就叫做基带传输。所以说只要记住基带传输对应数字信道，就ok了。好，这个就是一个考察点。那我们这里面举一个例子。
假如说呢我们这里有一台计算机，它要发送数据。它的发送的数据呢是1001，那他发送的数据具体是什么波形，这个是可以规定的。那这种规定的方式呢或者是这个名词就叫做编码。1怎么表示，0怎么表示这个就是通过编码来规定的。比如说我们这个1可以是高电平，0是低电平，好这就是一种波形。那这个其实就是非归零编码的方式。那还有一种呢，就可以是这样的。1可以是先高后低，0呢，先低后高。然后这个0又来了，先低后高，然后遇到这个1，先高后低。那可以看到我们对于每一个比特每一个位它内部又发生了一次变化，那这个就是我们说的这个曼彻斯特编码。这个大家之后会学到。那它其实就是对于编码的一种规定，对于我们这个10编码的规定。在基带程序当中我们会规定1用什么样的波形表示，0用什么样的波形表示，那这个就是基带传输它编码的过程。
好，那我们再来看一下这个宽带信号。宽带信号呢将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上进行传输。这种传输过程叫做宽带传输。好，那这两个知识点已经完整了。如果是放到数字信道上传输，就叫基带传输。如果放到模拟信道上传输，就是宽带传输。只需要记住这个信道是数字的还是模拟的，对应好基带和宽带就可以了。
那我们再来展开看一下，宽带信号呢是把基带信号通过载波调制后把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道当中传输，仅仅在一段频率范围内能够通过信道。可以看到这个宽带信号呢，其实是把我们最开始的基带信号经过一个调制了，那这个调制大家可以理解为整容。因为这个把它整容了之后呢我们才可以放到复杂以及比较危险的信道上面进行传输。
就举一个例子。假如说我们这边有一个广播电台，然后这是一个发射塔。那通过这个发射塔呢就可以把主播假如说我现在就是主播，我拿着话筒在说话，就可以把我的这个声音传播出去，然后传播到这个接收端。那这个接收端如何才能听到声音如何发出呢？我说的这个数据其实就是我的声波，那我的声波频率可能没有那么高，因为人的声波频率并不是很高，所以展现的波形可能是这样的。但是因为我们这个信道啊，这个无线信道特别地远，而且呢天气啊环境啊可能会对我们这个信号进行造成衰减，也就是说我们这个信号可能会有一些损耗。所以说面对这种情况我们就要把这个基础的基带信号进行一个调制。那把它调制呢就是把它的频率提高，变成一个每一个条都比较窄的这样一种信号。那这种信号其实就是相对于它来说是一种高频信号。那高频信号呢就是可以应对衰减很大的这种环境。即使衰减再大，最后到接收端，还是可以过滤出来我的基带信号。那这个就是一个调制以及解调的过程。
好，那我们可以看到基带信号呢和宽带信号它们俩是有区别的。那所以它们俩的区别我们总结一下就是，在传输距离比较近的时候，计算机网络通常采用的是基带传输的方式。因为我们知道近距离衰减比较小，从而信号是内容不容易发生变化的。比如说我们电脑连了一个显示器，那这个时候基带传输就ok了，不需要对它进行调制，因为距离很近。
那距离比较远的时候呢，自然采用的就是宽带传输方式。因为远距离的衰减比较大，所以说通过调制之后，把它调到一个比较高的频段。那信号变化再大也能够最终过滤出来这个基带的信号。所以这就是基带信号和宽带信号的一个区别。
那接下来我们就进入本节课的正题啊，编码与调制。我们知道啊这个数据啊可以是数字的也可以是模拟的，比如说计算机它的语言就是用二进制位的0101，所以它所发送的数据也是这个数字数据，就是离散的。而我们人在说话时所发生出的这个声波，它就是一种模拟的数据，因为声波的这个波形啊是连续不断的波形。那对于数据来说，不管是数字数据还是模拟数据，我们为了能把数据传输以便使这个接收端能接收到这个数据，我们就需要把数据首先转成信号的形式，然后才能把这个信号放到链路上面进行传输。所以说把数据转成信号，用的就是编码或者是调制的手段。
那把数据转成数字信号呢，用的就是编码手段。把数据最后转成这个模拟信号呢，就是调制手段。所以区分编码还是调制，就看最后转成的信号是数字的还是模拟的。
对于数字数据来讲呢，数字数据它可以转成数字信号也可以转成模拟信号。那如果它转成这个数字信号呢，自然用的就是编码的手段，那通过的这个设备就叫数字发送器。那如果把这个数字数据要通过调制转成模拟信号，那使用的就是调制器。通过调制器，使用调制手段，把数字数据成功地调制成模拟信号。
那对于模拟数据来讲呢，它也是有两条路，它也可以编码成数字信号也可以调制成模拟信号。那第一种如果它要编码成数字信号，用的就是PCM编码器，通过编码手段调成数字信号。那如果把这个模拟数据最后还是要调制成模拟信号呢，就要用放大器调制器，来把它调制成模拟信号。就像我们刚才讲的那个广播站，发送的时候发送的是一个人的声波，那人的声波是一个比较低频的声波，所以在无线信道上面进行传输的时候有可能会衰减，衰减到接收端可能接收不到了。所以我们要把这个原始的基带信号给它调制成模拟信号，好，把这个模拟数据调制成模拟信号，调制成一种高频的模拟信号才能放到链路上面进行传输。那最后呢再把这个高频的信号过滤下来，就过滤成我们这个最开始传输的这个声波了。好，接收端就可以接收住了。所以这就是编码与调制的一个区分。大家要把上面所说的过程充分理解，然后对于这些设备呢其实也不是我们考查的重点，有一个印象就可以了。啊比如说这个数字发生器，一看啊这个数字强调的数字，两端就一定都是数字数据和数字信号。那这个调制器呢，对应的最后结果肯定是要调成模拟信号，因为是调制嘛。那看是数字数据还是模拟数据呢，就看前面有没有这个放大器。如果是放大器，就是模拟数据调制成模拟信号。因为我们刚才举的那个例子，把声波从低频挪到高频，啊其实也是对于声波的一个音频放大的过程，频率放大的一个过程。所以模拟数据这个地方用的就是放大器调制器。那剩下的这个PCM编码器呢，其实就是就剩下这一个了嘛，就是模拟数据编码成数字信号的手段和设备。好，那有关于编码与调制的一个总览呢我们就先讲到这里，在下节课呢我们将具体地来讲这个以下的这四种途径分别是怎么进行的，以及它们的一些常考的编码方式和调制方式还有一些练习题。
学习四种编码与调制的方法。
首先第一种就是数字数据编码为数字信号。我们知道这个计算机它所发送的数据呢都是0101这样的数字数据，所以为了使这个数据能够在信道上面进行传播，就要把这个数据编码成数字信号的形式。那这个数字数据的编码呢其实就用于这个基带传输当中，也就是说基本不改变这个数字信号的频率，直接传输数字信号。那对于这种编码方式呢其实有很多种，啊这个编码方式其实就是规定0和1分别对应什么样的数字信号波形。
那常用的三种呢是这个非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。
那还有三种大家需要了解，因为这个反向不归零编码当时在真题当中有，15年的真题里面作为选择题的一个选项考查过大家。所以对于归零编码、反向不归零编码以及4B/5B编码这三种大家都需要了解。
那我们先来看第一种非归零编码。那假如说我们现在发送的二进制数据是10011010，那所对应的非归零编码呢就是这样的。
想必很多同学都能观察出它的这个标准
或者说这种编码方式是什么样，就是高1低0，高电平对应的就是1，低电平对应的就是0。好，就是这么简单。所以说这个编码方式呢是非常容易实现的，但是它没有检错功能而且没有办法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方啊难以保持同步。好，讲一下什么叫做难以保持同步。那现在这个数据呢，还是挺正常的，高电平低电平都有。那假如说我们现在发送的数据是连续的1或者是连续的0，那接收端呢可能收到的就是一长条特别长的直线。那它就不知道这条直线到底是有多少个1或者说是多少个0，所以它就需要发送端告诉它你这每一段时间、每一个这个时钟周期是多久，所以它才能把这个一长条直线进行处理，然后能算出来这个你发送了多个1或者多少个0。那这种方式呢就需要发送端和接收端之间呢再建立一条信道，那这条信道就是传输我们这个时钟周期这样一个信号，就是告诉你我是按什么样的速度或者是多久我发一个比特。你呢，对应的就是多久要接收一个比特。这样就是两者要建立一个同步的过程。但是这个非归零编码呢，要建立这个同步，其实是比较困难的，所以这种编码方式呢我们并不是很常用。那我们再来看，这个有了非归零编码，一定会有归零编码。
那归零编码呢，其实也很简单。它就是信号电平在一个码元之内都要恢复到0，这种编码就叫做归零编码。归零指的就是在每一个时钟周期内，在每一个码元内都要归为零。这里面我们默认的都是这个二进制码元，二进制码元所以就使得我们一位比特对应的就是一个码元。所以说在一个码元内啊都要归为零我们看一下。这首先第一个，第一个码元，1码元。它前半段是高电平，但是后半段呢是要归零的，就归为零了。那对于这个零码元呢，它是还是0，是不是保持这个0。那第三个0还是0。那到这个第四个，1码元，跳变为高电平。高电平后半段又归零。再看下一个1，也是先跳变，跳变成这个高电平，然后呢再归零为0。那对于下面的0还是始终保持0的状态。那我们可以看到对于归零编码在整个传输过程当中，处于低电平的这种情况非常多，而且时间比较久。那我相当于这个信道都没怎么用它，所以说这种归零编码呢也是不推荐使用的。
那我们再来看第五种，这个反向不归零编码。我们先把这个归零以及不归零都放到一块儿讲。看一下第五个，
这个反向不归零编码它是什么。
它是指信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。我们可以看一下这个图，首先这个前面我们先不管，从这个1到0这儿开始看。1到0，就是马上要发送这个0了，所以它电平就跳变了，就翻转了。那这个0再继续这样传输，啊然后又到一个0，又要发送一个0。所以在这个发送的这个开始这个地方，边界处进行跳变。好，那这个0发送完之后，它现在下一个要发送的是1，那对于1呢信号电平是不变的，所以还是保持刚才的电平。那依旧还是1个1，保持刚才的电平。那现在要发送一个0，那这个时候呢电平就要发生一个跳变，发生一个翻转。好，继续，那发现下一个要发送的是1，保持不变电平不变。然后最后一个发现要发送的是0，电平再一次发生跳变和翻转。那这个就是反向不归零编码了。我们可以看到反向不归零编码呢和非归零编码，它们这个一个码元内，在一个码元内它们是不发生跳变的，电平是不发生跳变的，而不像刚才归零编码，它有可能在这个一个码元内就发生一次跳变了，所以这就是它们的主要区别。好，那我们可以看到这个反向不归零编码呢如果是对于全零的话，这个信号它会电平一直翻转，电平一直进行翻转。那这个接收端就很好接受。但是如果呢我们这个发送端发送的数据是全1，那这个接收端它就不知道你这一共发送了多少个1。就好像我们刚才非归零编码一样，还是要建立一个新的信道。发送端跟接收端确定好每一个时钟周期，每一小段是多长，还需要有这样一个过程。所以说这个反向不归零编码呢对于全零的数据是ok的，但是对于全1的数据呢，还是有点麻烦。那因此，综合上面这三个非归零编码、归零编码和反向不归零编码的优缺点，我们就形成了这个曼彻斯特编码这一种非常优秀的编码。它是可以把时钟信号以及我们这个数据都放在一块，然后不需要有额外的这个信道来传输我们的时钟信号，就可以实现它自己本身的一个同步，也就叫自同步。接收端就直接从接收到的数据，就可以判断出来你发送给我的这样一些数据分别是什么了，就不需要再提取信号啊或者说计算每一个时钟周期是多少，啊就不需要这些过程了。
那曼彻斯特编码呢
它也是一种非常清晰的编码方式。它是将一个码元分割成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平时表示码元1，那前高后低表示码元0。当然也可以用相反的规定，那在我们这个图里呢前高后低就是1，前低后高是0。那具体怎么规定，看这个题目所给的条件。我们可以看到在这种编码当中，中间出现了一次跳变。那这种电平跳变呢既可以作为时钟信号，也可以作为数据信号。如果作为时钟信号呢，它就可以让发送方和接收方实现同步。那这个同步我们讲过，就是使这个发送方发送一个比特之后，接收方就能够知道你已经发送一个比特。那发送方再发第二个比特时，接收方也能察觉到这是第二个比特。正因为有中间的这样一次跳变，所以每发送一个比特的时候，都会有一次跳变。那接收方每一次都会检测出这次跳变，它就知道啊，这两个跳变，其实就是已经发送了两个比特。那这两个比特是1还是0呢，它就看这个跳变两边的这个边界值。如果是这个边高这个边低，那它可能就是1，当然也可以是0。那如果这边低右边高，就可以是0或者是1，这个取决于它自己的一个编码规定。好，那这种编码方式呢所占频带宽度是原始基带宽度的两倍。
我们可以看到这个曼彻斯特编码当中，它每一个码元都被分割成了两个部分，
所以就被调成了两个电平。高电平、低电平或者是低电平、高电平。因此呢我们就可以说它数据传输速率只有调制速率的二分之一，那有的同学可能会问这个不是二进制码元吗？这个不是应该是1位比特对应的就是一个码元呢？我们知道在刚在之前学码元传输速率的时候有讲过，码元传输速率既可以是一秒当中传输的码元个数，也可以是一秒传输的脉冲个数，或者说信号变化的次数。那这个曼彻斯特编码呢就比较特殊，大家要就格外记住，曼彻斯特编码它在一秒当中或者是这样一个时间间隙、一个时钟周期当中，它信号变化两次。这个两次一个是中间这一次，很好观察，另一次呢就是开始这一次。从前面一个状态，到这样一个状态，这也是一次，所以是变化了两次。因此它的那个码元传输速率呢一秒当中假如说，这一个时钟周期是一秒，那一秒信号变化两次。而这一秒呢，比特只传了一位。所以，它的调制速率或者说码元传输速率就是数据比特传输速率的2倍，就是这样一个关系。当然也可以理解为这个脉冲个数，一个时钟周期内曼彻斯特编码它的脉冲个数是两个。我们之前讲的脉冲个数就好像是你被电了一下，那首先在这个开端的地方被电一下，中间跳变又被电一下，因此在一个时钟周期内会发生两次的脉冲，有两个脉冲。所以说这个数据传输速率就只有这个调制速率的二分之一。假如说我们这个信道它的码元传输速率是40Baud，那么对应的这个信息传输速率就只有20bit/s。就可以暂时给它看成一个时钟周期内它是有两个码元，但是呢只有一个比特。
那我们看除了曼彻斯特编码之外还有一个比较重要的就是差分曼彻斯特编码。
它呢它的规则非常简单，就是同1异0。
但是这个同1异0看的是在中间也就是虚线两边的这两个信号，常用于局域网传输。它的规则就是，如果码元是一，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同。如果是0，那么就相反。
那可以看到这个说法好像挺复杂的，我们这里面把它给形象化。那这样一种情况，前低后高，是不同的，是异的，相异的。那相异，下一个这个码元对应的就是0。
那如果是相同的，后半段儿和这个前半段儿是相同的，那它指示的、它表示的这个下一个码元就是1。所以这就是同1异0，那作用的都是下一个码元。这个就是差分曼彻斯特编码方式。那它的特点，是在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。那它和曼彻斯特编码都一样，每一个码元的中间位置都会发生一次跳变。那这样一个电平的跳变呢就会使发送方和接收方能够确定好发送一个比特的时候接收方就可以接收一个比特，所以这个就实现了两者之间的同步，也就是整个系统的自同步过程。那我们说抗干扰性呢差分是要强于曼彻斯特编码的，因为它实现的算法更复杂一些。
那最后呢我们来看一下4B/5B编码。
它就是指比特流当中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是说用5个比特来编码四个比特的数据，之后呢再传给接收方。因此，称为4B/5B。那编码效率呢很容易算，就是80%。因为4个比特是我们自己的数据，但是呢要插入一个比特实现编码，那这一个比特其实是有点最后接收端还是给它刨除掉了所以实际上的编码效率只有80%。
那么可以具体来看一下。对于这个4B/5B编码呢，实际上就是把每四个数据分为一组，那我们知道如果是4个比特为一组的话可以有十多种情况，这里面没有话权。那对于这十多种情况呢，我们分别都会对应一种5比特的编码方式。那我们知道这个如果是5个比特，它正常可以表示32种状态，可是呢这个4比特它4比特的数据只有16种，所以这个32种状态当中就拿出16种，给它做编号做编码，那剩下的16种呢，就是作为控制码，用于帧的开始或结束还有线路的状态信息等，或者是就直接保留下来。这个就是4B/5B编码，那这个大家就有一个了解，清楚它的编码效率是80%就可以了。
那接下来呢我们来看一下这个数字数据调制成为模拟信号的过程，以及几种调制方法。我们之前在讲数据通信知识的时候，有举过这样一个例子。如果两个主机呢要通信，而且是通过电话网路网的话，就需要经过模拟信道上一个过程。那因为计算机所发出的数字信号呢它是数字的，所以要放到模拟信道上传输就要先经过调制解调器调制成这个模拟信号，然后才能放到信道上传输。到接收端的时候呢，再由接收端呢调制解调器实现解调过程，把这个模拟信号转成数字信号，进而交给信宿，由这个信宿呢把这个数字信号读出0101是什么样的数据，再把这个0101转成人们可以识别的图像文件、音频视频等等格式。
那所以数字数据调制技术呢就是在发送端将数字信号转换成模拟信号，在接收端将模拟信号再还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。好，大家这个应该很清楚了，那今天我们就来看一下这个调制分为哪几种。
第一种调制呢，就是这个ASK。
ASK又叫做调幅，就是幅移键控，就是王道书上说的幅移键控。其实大家知道它是调幅就可以了。那调幅很简单，0对应的就是没有幅度。1呢，有幅度。0没有幅度，0没有幅度，1开始有幅有振幅。所以这就是调幅。0的时候就没有振幅，1的时候就有振幅。
那第二种FSK，就是频移键控，也是调频。因为F对应的这个英文单词呢就是Frequency，就是频率的意思。那我们看这个调频呢，其实是对于0数据。0它就是低频的。1呢，就是高频。因为我们知道这个波形啊，如何看低频和高频，就看它是疏还是密。如果呢这个波形非常的稀疏，比较宽。就是说明它的频率非常的低。频率就是说一秒当中能振动多少次，那振动的越快，频率就越快。那我们可以看在同样一个时钟周期内，0所对应的这个振动，只振动了两次，只有两个波形。而1呢，大概是有4次。所以说1对应的这个频率更高一点。因此1对应高频，0对应低频。这就是调频。
第三种PSK就是调相。那这个调相呢其实是对相位的一种调制。0对应了一种波形，1又对应一种波形。那这两种波形呢就是正弦波或者是余弦波，这个里面大家不用清楚这个具体的什么波形是余弦还是正弦，只需要知道这个调相其实就是对于相位的一个调制。而调制的结果呢就是0和1分别对应正弦波或者是余弦波。
那最后一种就是调幅和调相的一个结合体，QAM，也叫做正交振幅调制。它就是把调幅和调相结合在一起来使用。那它的这个原理呢很简单，就是在调幅的基础上对于这个幅度之后，对于这个幅度再进行一个细分，给它调制成几个相位。或者是在调相的基础之上对于每一种相位再给它细分调成不同的幅度。好，就是调相和调幅的结合。
那这个里面常考的呢就是把这两个结合在一起的计算题，我们来看一个。给了我们波特率，给了相位，给了每种相位所对应的几种振幅让我们求信息传输速率，也是比特率。
采用四个相位，且每个相位有四种振幅。也就是说对于每一种相位，A、B、C、D四种相位。每一种相位呢它都会有四种振幅的形式。所以最后的这个我们整个信号啊，就会有4*4=16种波形。那这16种波形呢其实也就是对应的16种的码元。
那我们知道，之前我们说过这个四进制码元，4进制码元呢说的就是有四种信号电平的状态。
就是有四种电平高低。那如果对应四进制码元呢，它就是有四种这样的波形，有四种高低不同的波形，0V、1V、2V、3V。那如果要表示要用二进制0101来表示这四种状态，自然我们就需要两位。00、01、10和11，只有两位才能表示完全这四种状态。那我们现在是16种状态，就应该是以2为底的16的对数，也就是4。所以就是需要4个比特位才能够表示完整这16种信号的状态，16种波形或者说是说16种码元。所以说我们一个码元对应的就是4个比特，这就是它们的一个关系。4bit对应的就是一个码元。那在这个链路里面呢给了我们波特率是1200Baud，也就是一秒当中可以传输1200个码元。所以说要求信息传输速率也是比特传输速率，就用1200*4=4800bit/s（b/s）。因为一秒是1200个码元，而一个码元对应着四个比特，所以一秒当中传输的比特数就是4800个。那这个计算如果大家懂了，调幅和调相这一块的知识也就到这里了。在调制这一块呢我们考研当中常考的可能就是计算题了，然后再结合两个非常重要的求极限传输速率的公式来求我们这个波特率或者是信息传输速率，啊作为这种题。而给了已知条件呢，简单一点可能只有调幅或者只有调相。
那难一点呢，可能就是把调幅和调相结合在一起了。那遇到这种结合在一起的题，大家读了题就会知道，只需要把这两个数字进行相乘，把所有的信号总数或者说是状态的总数求出来就可以来做题了。好，那数字数据呢调制成模拟信号我们就讲到这儿。
接下来啊我们来看一下这个模拟数据如何编码为数字信号。
因为我们知道这个计算机当中处理的数据都是二进制数据，所以对于我们计算机当中所处理的音频都是数字音频。因此就需要把得到的模拟音频通过采样转化、量化，转换成有限个数字表示的离散序列，也就是实现音频的数字化，才能够使这个音频存储在我们的计算机当中，并且由我们计算机对它进行一些处理。
那最典型的例子呢就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。那在计算机应用当中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存以及音频欣赏。比如说CD、DVD以及我们常见的WAV这种音乐文件当中均会应用到PCM这种脉码调制。那它主要的过程呢包括三步——抽样、量化和编码。所以根据这段话，我们可以看到啊这个PCM这种脉码调制它是对于我们这个音频信号可以达到最高保真水平，就是可以使我们这个音频信号尽量完整和精准地保存下来，保存到我们计算机当中。
那我们来看一下它的三个步骤。首先第一步抽样。抽样是对于模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。因为我们知道这个模拟信号它是一个连续性的波形，所以我们抽样的过程呢就是每一个时间周期抽一次，也就是看一次它这个时候所对应的电压是多少，电平是多少。因此呢我们就把这一个连续的、完整的波形变成了一个又一个的小点。
那为了使这些所取得的这个离散信号能够无失真地代表被抽样的模拟数据，使用采样定理进行采样。那这个采样定理呢，其实就规定了采样频率要大于等于2倍的信号最高频率。那这个呢，是大家要必须记住结论的。那一会儿我们再来讲它的具体原因。
那第二步就是量化。因为我们刚才通过抽样已经得到了很多个点，得到了很多个时间点对应的它的这个电平值，那就是把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化成对应的数字值，并取整数。这样就把连续的电平幅值呢转化为了离散的数字量。因为我们刚才抽样之后啊就得到了一些离散的点，但是这些点所对应的纵坐标或者说所对应的电平值，啊千奇百怪，可能是几点几伏，几点几几伏。所以我们就需要把这些小数的幅还有整数的幅都统一为整数，而且呢，按照一定的分级标准也就是一段一段，比如说几到几伏是一段，那就把这一段之间的一些幅值全都定义为这一段的一个整数值。那这是量化的过程。
第三个就是编码。编码就是把量化的结果转化成与之对应的二进制编码。因为我们刚才量化之后呢就会得到一系列的整数的电平幅值。所以呢我们就把这些整数电平幅值呢，就看做为几种电平的状态或者说信号的状态。那这时候就用到了码元和比特的一个转换，每一种信号状态呢就对应着一种码元。那因此假如说我们总共就4种信号状态，那我们只需要用两位比特来表示这4种信号状态。如果我们有16种信号状态，16种离散的电平幅值，那我们自然就需要用4个比特，用4个比特位来表示这16种电平幅值。那这个就是编码的过程。
那结合这个图我们再总结一下这三个过程。首先对于这样一个不规则的模拟信号，我们要先对它进行周期性扫描，然后来抽样。可以看到这个周期性扫描就是说每一个相等的这个周期，我们就对这个信号采样一次。那采样呢其实就是对于这个信号取样，看它在这个时候它所对应的电压是多少。那接下来量化，就是把它所对应的电压有小数有整数数有负数，全部都统一为整数。并且按照一定的分级标准，转化成对应的数字值。就可以把比如说5.2幅，这种就转化成5幅。那最后一步就是编码。那这里面我们可以看到我们最后呢其实用到的主要就是有16种状态，16种信号状态。所以说我们就用了这个四进制，四位的二进制编码，用四位比特就刚好可以表示16种离散状态，所以这个就是编码的结果。那现在我们再来补充一点啊，就是这个采样的定理。为什么要使采样频率大于等于2倍的信号最高频率呢？首先给大家介绍一个前导性的知识。就是对于我们所有的模拟信号啊，它都是由一系列的正弦波所叠加而成的。
所以说我们就可以把任何一种模拟信号给它区分或者是过滤出来它的所对应的几个正弦波。假如说我们现在有一个模拟信号，它是由两个正弦波构成的。一个是这个胖子，一个是这个瘦子。那对应的这个横坐标是x，纵坐标呢就是y。那这x其实也就是时间，1s。也就说明这个胖波（我们叫它b波），b波的周期是一秒。那这个瘦波，我们叫它a波，a波的周期呢就是0.5s。所以说我们这个a波的信号频率和b波的信号频率也可以求。因为我们知道这个信号频率也可以说是带宽，就是指一秒当中振荡的次数。那对于a波来说呢，它一秒当中可以有两个波形，所以一秒当中可以振荡的就是两次，就是2Hz。那对于b波来说呢，一秒当中刚刚好完整一个波形，所以b波的这个信号频率就是1Hz。那我们接下来看应该用什么样的一个采样频率，才能够使我们这个所有的信号都能够成功地采样，也就是达到一个保真的效果。假如说我们对于这个b波，我们针对一个b波来确定采样频率。那根据这个b波呢我们知道如果我们确定好两个点，就能知道这个b波的波形了。因为我们知道对于一个正弦波来说它的公式是y=Asin（ωt+φ），那这个ω呢其实就是频率，频率ω就是2Hz或者是1Hz，这都是已知的，因此未知数只有A或者是φ。
所以说只要代入两个，两组x、y，这里面是x，y=Asin（ωx+φ），两组x、y就能求出这两个系数进而求出正弦波的波形。那我们对于这个b呢，假如说我们在一个周期内我们取两次就可以了。头一次，中一次，或者是这个波峰一次，波谷一次。好，那如果我们是这样取的话，我们的采样Hz，如果说我们针对b波形啊，这个一个一个波形内取样采样两次，我们的采样频率自然就是两Hz。1秒当中采样两次，所以就是两Hz。那我们看如果是采样两Hz的话，是不是不能确定是a还是b啊。
因为如果采样两次的话，假如说我们就得到这两个差，那可能是b波形，当然也有可能是a波形。因为a波形它也刚好经过这两个点，所以是如果是这种采样频率，是达不到保真的效果的，就是不一定把这个a波形也可以查出来。它可能觉得只有b波形了。或者说它区分不出是a还是b。那另一种我们就是就a来看，如果是就a来看，我们还是给它取两个点。因为对于任何一个正弦波只要知道两组，一个周期内的两组x和y，就可以确定这个波形。那我们还是确定这个a波波峰和波谷，或者是这个a波在这个点和这个点，都可以。也就是说现在对于a波来说一秒当中啊它可以采样的就是四次了，一秒当中就是4次。所以对于a波它的采样频率就是4Hz，因为我们现在对于这个a波一个周期内我们就采样两次，它一个周期是0.5秒，0.5秒采样两次，所以对应一秒当中采样的就是4次。那这个采样，这种采样频率下呢，我们就可以完完全全地把这个a波确定。当然我们就不可以说这个除了a波之外有没有比a波更高频的了，因为a波是我们整个所有信号组合里面当中最高的，最高频率的信号。那我们可以看到现在这个采样Hz呢就是a波的2倍。当然这个采样Hz再高一点也可以，因为这个采样Hz采样的频率越高，就说明我们对于这个数据把握的就更精准。采样的东西越多我们对于这个频率把握的就更精准，对于我们这个信号波形恢复的呢也就更准确，也就不容易失真。
所以我们经常会在那个音乐上面看到这样一个采样频率是44100Hz，也就是44kHz。这个原因就是因为我们人所能听到的声波，它是从20Hz-20kHz。如果要听音乐的话，如果要使这个音乐尽可能地保真、不失真，所以我们这个耳机或者说我们的设备，听音乐的设备，它对于音乐的采样频率就尽量要达到人所能听到的信号最高频率的2倍以上，也就是2*20kHz，也就是大于等于40kHz。只有达到了这样的采样频率，才能够使得人所听到的声音，这样一个频率范围内所有的声音都能够完整地采样到，不失真地采样到。那为什么有的时候我们会说高频不清楚，高频失真，就是因为它采样频率没达到。有的高频没有很精准地啊掌握到它的波形，所以才会导致高频失真。这就是对于这个模拟数据编码为数字信号的一个PCM的应用。好，那有关于这个编码呢我们就讲到这里。
最后一块呢我们来看一下，模拟数据如何调制为模拟信号。因为我们知道在这个传输的过程当中有可能这个信道非常的长，而且这个环境呢可能很恶劣，就会导致我们所传输的模拟信号受到一定的衰减。
所以呢就要把这个模拟信号调制成一个新的模拟信号，以应对接下来的一些危险。所以为了实现传输有效性，可能就需要把这个模拟数据搬到一个比较高的频率上。那这种调制方式呢还可以使用频分复用技术，那这种技术我们在第三章会在数据链路层会讲到。它会充分利用带宽的资源，同时呢在电话机和本地交换机所传输的信号都是采用模拟信号传输模拟数据的方式。而模拟的声音数据呢也是加载到模拟的载波信号当中来进行传输的。
这就回到我们最开始讲的那个例子。假如说这儿有一个电视台的发射塔，广播电台发射塔。那我现在在这边呢做一个电台节目，我就在这边说话。那通过话筒传出来的声音呢，其实就是我的声波。我的声波通过这个话筒传出来的这个声波频率还是比较小的，比较低的。那这种声波啊，这种频率可能难以应对，我们在一个比较复杂的信道上进行传输。因为如果这个信道非常的复杂距离很远，就可能会导致我们这个信号衰减。最后可能本身它这个频率就不高，衰减到最后到接收端识别不出来了。因此我们就需要把这个信号调制成一个比较强大的模拟信号，调制成一个高频的信号。那这种高频的信号呢就不易受损，啊，损害比较小。即使受到损害了，它还是可以清楚地恢复出它原来的基带信号。
那这个调制成的模拟信号呢就在这个信道上进行传输，到接收端的时候再通过解调器把这个信号解调成基带信号，原来的这种声波形式。
然后再给我们这个收音机，信宿接收端来听，它就可以听得到我们原始的声波了。这就是模拟数据调制为模拟信号的过程，非常的简单，大家知道这样一个概念就可以了。
最后呢我们来总结一下这节课我们学习的内容。我们就围绕编码与调制来研究了四种情况。首先对于编码，数字数据或者说数字信号可以编码成数字信号，模拟信号呢也可以编码为数字信号。那对于第一种数字数据编码成数字信号，三种比较重要的，非归零编码、曼彻斯特编码以及差分曼彻斯特编码。那它们两个的区和非归零编码的区别呢，就是对于每一个时钟周期呢，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码它们都会发生跳变，所以它们不仅携带了时钟信号，也携带了数据信号。而这个非归零编码，是并不携带时钟信号的。那模拟数据或者说模拟信号，编码成数字信号，最典型的一个例子就是PCM脉码调制，对于我们一个音频数字化的一个过程，就用的是这样一个PCM脉码调制。那这个脉码调制呢它分为三个步骤，第一步就是抽样，也叫做采样，就是对于模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号呢变成时间上离散的信号，然后采样的这个过程当中要遵循抽样定理，也就是抽样的或者说采样的频率要大于等于2倍的这个模拟信号当中最高的频率。第二步呢就是要量化，也就是说把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标准来转化成对应的数字值，化为整数，这样呢我们就可以把连续的电平值转化为了离散的数字量。那最后一步编码，编码就是把量化的结果转化为对应的二进制编码。因为我们刚才量化得到了一系列离散的电平幅值，所以就有很多种这种离散的这个信号，信号种数。那这些信号种数呢我们就要看它是由多少个比特位才能够表示完全。假如说我们得到了16种离散的电平幅值，那我们只需要用4位比特就可以表示出这16种状态。那这就是编码的一个过程。那再看我们调制方向，调制方向呢有两种，两种情况的调制。第一个就是把数字信号调制成模拟信号。那有四种主要的调制方法，调幅、调频、调相以及调幅和调相（QAM它们这种组合）。那这种组合呢其实通常都是由计算题考查，大家只要把课上的这道计算题消化了，其实就没有什么问题。那调制的最后一个呢，就是把模拟信号调制成模拟信号。常用于我们这个音频，比如说我们在这个广播电台，它的这个音频信号、声波就要先调制成一个频率比较高的信号，进而呢可以面对比较大的衰减，还是可以得到一个比较不失真的信号，得到一个原始的基带信号的波形。那这个就是我们这一节编码与调制的主要内容。我们下节课呢将学习这一章非常重要的两个公式来求极限传输速率。
学习一下数据交换方式。
为什么要数据交换，以及什么是数据交换呢？在之前的章节当中我们讲过，如果两台计算机要进行通信的话，两台计算机之间一定要有链路连接。那假设我们现在使用的都是有线的链路。那么对应于这6台计算机呢，如果要使得两两互连，也就是说每两个都可以连接在一起。那我们应该能想到的就是这样一种连接方式。
也就是有Cn2条链路。当计算机的数目增多时，我们这个链路的条数自然也要增多。那如果还使用这种两两连接的方式，是不是显得稍微低效了一点，有点浪费资源了呢。
那因此我们就产生了这样一种进行通信的形式。也就是在这些主机之间呢放这样一台交换设备，那这台交换设备呢，可以是交换机、路由器等等。那比如说在局域网内部就是交换机。那如果涉及到广域网问题，那这个交换设备呢就可以是路由器。
那通过使用这个交换设备我们可以看到这个链路就变成了n条。当然，这个拓扑结构呢也是我们第一章所讲过的星形拓扑。
那这个交换具体指的就是通过某些交换中心将数据进行集中和传送。那这里面的链路或者说是传输线路就可以为各个用户所共用，从而可以大大地节省通信线路，降低系统的费用。
那当这个交换设备更多的时候我们就可以形成这样一个交换网络。通过这样一个交换网络就可以把四面八方的计算机联系在一起，实现任意两台计算机之间的通信。
那接下来就进入本节课的正题，数据交换方式。数据交换方式呢，总共有这三种。第一种叫做电路交换或者叫做线路交换。第二种呢叫报文交换，第三种是分组交换。
那下面这两种交换方式呢都属于存储转发式的交换方式，具体什么是存储转发，在接下来我们讲这两个交换方式的流程当中会涉及到。
那么在分组交换当中呢，我们又可以给它分为数据报方式以及虚电路方式。那这样一个划分，同学们要清楚，接下来我们就逐一来学习一下。
首先呢就是电路交换。电路交换呢就是Circuit Exchanging。首先呢我们来看这样一个图示，有两台主机分别是主机A和主机B，那在这个例子当中呢我们设定为主机A是源主机，也就是A主机是要发送信息，B主机是来接收信息的。那中间这些呢都是交换设备，黑色呢就是交换设备之间以及交换设备和主机之间的连线，也就是传输线路。
首先呢我们就要知道电路交换的一个原理。电路交换的原理呢就是在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点所构成的专用物理线路，在数据传输结束之前，这条线路会一直保持使用。
具体呢我们就来结合这个电路交换的阶段来看一下。首先第一步是建立连接，也可以叫做呼叫或者是电路的建立。第二步呢就是进行通信及数据传输。第三步呢就是释放连接，也可以说是拆除电路。
首先呢我们就来看第一阶段，建立连接。主机呢会首先向离它最近的这样一个交换设备A，也就是结点A发送一个呼叫请求。那这个呼叫请求当中呢其实就包含着所需要建立线路连接的源主机A和目的主机B的主机地址。那这个主机地址呢就是我们日后要学的IP地址。接下来这个结点A就要执行一个路由选择算法，那这个算法其实就是为它选择下一跳应该往哪里，是把这个呼叫请求转发给交换设备B还是给它下面的这个路由器。那当这个结点A执行了路由选择算法之后呢，它就选择了交换设备B作为下一跳的结点。
那么接下来它就要把这个呼叫请求转发给B。
那接下来B同样执行路由选择算法，选择它的下一跳结点就是这个交换设备C。
那接下来C呢又会转发它的呼叫请求，把这个呼叫请求呢转发给交换设备D。
那最后，交换设备D直接交付给这个主机B。
那如果这个B现在是可以接受A的连接请求的话，那它就会原路返回也就是通过D->C->B-A，直至到这个主机A这样一个顺序来发送一个呼叫应答。那么至此，A、B两台主机之间的这个线路就算是连接成功了。啊，也就是通过这个网络，把A、B两台主机牵在了一起。那接下来就进入了第二阶段，也就是通信和数据传输阶段。虽然我们最开始说A主机它发送了呼叫请求，B主机是响应或者说应答这个请求。但是在通信过程当中呢，A和B两台主机都是可以发送数据的，也就是我们之前所讲过的一个全双工的通信方式。
那在两台主机发送完数据之后呢，就进入了第三阶段，释放连接或者是拆除电路阶段。那在这个阶段，假如说A主机想先跟B分手，想先断掉这个连接，
那么这个A主机它要先做的就是发送一个释放请求。那这个请求呢，会在之前所选好的这样一个路径，
也就是A、B、C、D路径的基础之上进行转发，直至发给B主机。那当B主机收到这个释放请求之后呢，它就会返回一个释放应答，
并且按照这个D->C>B->A这样一个顺序将这个连接依次地断掉，依次释放开。至此呢，A和B主机，本次的通信就算是结束了。
那这样一看电路交换的过程还是非常简单的，
我们来总结一下电路交换的一个特点。它的最主要特点呢就是要独占资源。用户始终会占用端到端的固定传输带宽，比较适用于远程批处理信息传输或者是系统间实时性要求比较高的大量数据传输的情况。独占资源呢其实很好理解，也就是A和B在通信过程当中呢，中间这样一条A、B、C、D的链路是不能够被其他主机所占用的，这就叫独占资源。那为什么说它适合实时性要求高的大量数据传输呢？因为我们可以想一下，建立连接的这样一个过程还是比较麻烦的，那么它所占的一个传输时延就比较长，那我们好不容易建立好了，结果只传了一个字节或者说传了一个非常小的数据块，那这个是不是非常的浪费资源。所以说电路交换比较适用的是大量的数据传输，而且实时性比较强的交互式会话类通信。那在学习这种交换方式的时候呢，我们除了要了解它的原理、它的阶段、它的一些相关特点，还要清楚它的优点和缺点分别是在哪里。
那我们来看一下电路交换的优点。第一点呢就是它的传输时延比较小，由于我们刚才说电路交换的一大特点是独占资源，也就是在通信的过程当中这条线路是被独占的，所以说数据是一直直达的，那么在数据传输的过程当中所占时延就非常的小。第二点数据是顺序传送的，没有失序问题。这可以想象成在流水线上工作，我们只需要把这一个又一个的数据放到这个传送带上面进行传送，那么在这种传送方式下自然没有失序问题。第三点就是它的实时性比较强，双方一旦建立了物理通路，便可以实时地通信，比较适用于交互式会话类的通信。第四点呢就是在通信过程当中是全双工的通信方式，没有冲突，通信双方呢会有不同的信道，不会争用物理信道。那这个很好理解，因为在通信的时候两台主机或者说两个端系统它们是可以互相发送数据的，所以是全双工通信。第四个呢，就是电路交换它适用于模拟信号和数字信号。最后一点呢，就是电路交换的控制比较简单。而电路交换的交换设备呢主要采用的是交换机。接下来我们看一下电路交换的缺点。首先第一个缺点就是它的建立连接时间长，因为建立连接需要从主机A发送一个呼叫请求一直转发这个请求到主机B之后，B呢再返回一个对于请求的应答，所以建立连接时间是比较长的。第二点就是线路独占，这种独占资源的特点也给它带来了一些不便。即使通信线路空闲，也不能够供其他用户使用，这样就会使得信道使用效率低。第三点呢就是它的灵活性比较差，双方连接通路当中的任何一点出了故障一定要重新拨号建立连接，不适用于一些突发性的通信。第四点呢就是没有数据存储能力，难以平滑通信量。这是指在电路交换当中，电路交换的设备是没有存储能力的。那如果有大量数据涌入到这些交换设备当中的时候呢，这些交换设备没有办法存储它们，也就很难应付数据量的激增，可能会导致一些数据的丢失等等问题。那这其实也是电路交换和报文交换以及分组交换的一个主要的不同点。第四个缺点呢就是在电路交换时数据是直达的，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难进行通信，也就是一个难以规格化的问题。最后呢就是没有办法发现与纠正传输差错，难以在通信过程当中进行差错控制。那我们可以想一下如果这个数据发生了一些差错，但是在传输过程当中呢没有发现，而是到最后传输到目的主机的时候我们才发现，那么从头再来的这样一个代价就比较大了。
那接下来我们再来看第二种交换方式，报文交换，Message Exchanging。
首先呢我们要知道什么是报文。报文啊它是网络当中交换与传输的数据单元，也就是站点一次性要发送的数据块。报文呢包含了将要发送的完整数据信息，长短很不一致，长度不限且可变。通俗一点来讲呢，就是假如我要给你发一份文件，那这一个文件就可以是一个报文。那我给你发一条语音，这也可以是一个报文。我给你发送一个字，那这也可以是一个报文。它指的就是单次要发送的数据块，所以它的长度是很不确定的，而且是可变的。
接下来我们就来看一下报文交换的一个原理。它的原理呢是无需在两个站点之间建立一条专用通路，数据传输的单元是报文，传送过程采用存储转发方式。其实报文交换原理啊就用这四个字概括就足够了——存储转发。
那我们就结合这个图来看一下报文交换的流程。首先呢在源主机这一块我们有要传输的一个数据块，那这个数据块呢我们就称之为是信息。
那这个信息加上报头
就形成了一个报文。那这里面的信息主要是什么呢？包括的呢就是源地址以及目的IP地址还有一些相关的控制信息，这样封装成一个完整的报文就可以开始传输了。
那首先呢这个报文要走到交换设备A这里，那由于报文交换与电路交换的一个主要区别就是它是采用存储转发方式，那这个交换设备呢就要派上用场了。
当报文到了交换设备A这里呢，交换设备就会先收下整个报文，暂存报文并且检查有无差错，就是一个差错控制。
当它检查完差错之后，发现这个是没有问题的报文，那就等输出的电路空闲时利用路由信息找到下一个结点地址，并且传送给下一个结点。那这个路由信息指的是什么呢？指的就是这个交换设备啊它自己被获植一张比较大的路由表，那根据这个路由表呢它就可以判断接下来走哪几个路由器或者是下一个跳走哪个路由器，我到目的主机的距离是最短的，也就是能尽快地到达目的主机。那根据路由信息呢它会发现，我下一步走交换设备B是比较短的，因为只需要经过一个B就可以到达目的主机了。如果到达C呢，还要再转一个交换设备，那这样就比较麻烦。
所以呢它就传送给下一个结点B结点。那在传输给B报文的时候呢，其他的这些线路段甚至是A、B两个之间的这个线路段都可以传输其他用户的报文，也就是说每两个结点之间的这样一条链路，并不是被独占的，是所有人都可以共享的，就像一个公共车道一样。不过这个车道呢它会有限制的宽度，那在计算机网络里呢体现的就是带宽。那当这样一段链路当中要传输的报文过多的时候呢，那这个线路就是比较繁忙的。所以呢就需要靠这个交换设备暂存一下这个报文。等线路空闲的时候，再把报文发送出去。那这样一个过程呢就是存储转发。
那接下来交换设备发现线路空闲的时候呢，就可以直接把这个报文发送出去，发送给这个目的主机。
那这个流程清楚之后呢，我们就来看一下报文交换的优缺点。第一个优点就是无须建立连接，没有建立连接时延，用户呢可以随时地发送报文。第二个呢就是它可以动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。
那在刚才的这个例子当中呢，假如从A到B，走这样一条路的数据块特别多，同时呢A到C也可以接到这个目的主机。那么在这条路当中呢并没有过多的数据块，所以这个交换设备A它就会决定接下来我把这个数据啊发送给交换设备C，也就是实现了一个动态找路的过程。
第三点呢就是可以提高线路的可靠性。 如果某条传输路径发生故障，那么可以重新选择另一条路径传输。而不像电路交换一样，要重新拨号连接。第四点呢，就是可以提高线路的利用率。通信双方在不同时间是一段一段地部分占有这条物理信道，多个报文呢同时还可以共享信道。那这个在刚才的报文置换过程当中我们也讲过了。第五点就是可以提供多目标服务，一个报文可以同时地发往多个目的地址。那这也是因为我们这个报文交换呢它采用的是存储转发的方式，那么存储其实呢就是相当于把这个报文进行了一个复制，拷贝了这样一个报文的副本放到了交换设备的缓存当中。那这样一个报文就可以变成多个报文，就像细胞分裂一样可以发往多个目的地址。最后一个优点呢就是在存储转发当中
来源：oschina
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