计网学习笔记———通信知识（计算机网络通信单独讲）

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🔴 通信知识的地位

🟤 通信知识无处不在

🟡 系统的思想

定义：

系统的无处不在，是一个泛化的概念。（本质是计算机思想的————层层封装、嵌套、黑盒、接口、个体与网络的思想的体现）

• 系统必然1+1>2,若个体之间拮抗/毫无作用不叫系统。
• 系统之间必然有信息交流
• 系统的概念大于且包含网络————即网络是一种系统
  • 系统是一个更广泛、更抽象的概念，涵盖了各种类型的结构和功能；而网络是系统的一种具体形式，主要关注节点之间的连接和信息流动。网络可以作为系统的一个子系统存在，但系统不一定具有网络的结构特征。

举例：

• 例子1：生态系统也是系统、人可以看作一个系统、人体内又有消化系统、泌尿系统
• 例子2：一个简单的多个函数的C/C++/Java…代码，可以把一个个函数看作一个个模块，则函数就是网络的结点，函数之间可以通信。那么这时候的程序结构就很清楚了，这些由函数构成的功能模块，这时候研究它们的作用以及它们之间的交流就可以很好的把握这个代码的结构。
• 例子3：学习计算机组成时，可以看作用户与计算机的交互，再往下可以研究计算机里硬件的交互（CPU与存储（内存、磁盘）与输出输入设备（显示器/麦克风、键盘/扬声器）的交互，再往下可以研究CPU内部的硬件（寄存器、运算器…）的交互，再往下可以研究寄存器的内部结构直到结构再也不可分。观察以上这些内容，会发现都可以说它是一个通信系统，而往下细分又可以说它是由多个嵌套的通信系统组成的
• 例子4：研究一个软件时，也可以以这样的思路研究，软件与本地/网络中的其他软件的交互、软件与OS的交互、软件内部的模块组成…

🟡 通信的地位

是系统依靠的基石，没有通信，就无法形成系统

• 所以，通信更是网络的基石，从而更是计算机网络的基石。由此要着重研究
• Ps:相关领域————通信工程

🟡 系统思想在学习的应用

作用：

在学一个新知识的时候，从系统、通信和模块化的角度来研究，有助于理清结构

步骤：

• 当前研究对象黑盒化：通信思想研究系统/软件/其他的关键，就是把要研究的东西看作黑盒，先不考虑它内部的结构，而是研究它外部的通信，从而定位它的功能。
• 用系统的思想定位功能（即研究它与什么通信）：然后再弄清楚它在这层的功能后，拆解这个黑盒，研究下一层的模块以及模块间的通信以及负责的功能，由此，黑盒的这层透明了。
• 重复拆解：依次用：看作黑盒研究，定位作用后再次拆解的步骤，不断实施，使得这个黑盒的多层逐渐解密。

图片

🟡 通信是计算机网络的基石的体现

系统（包括：网络）要实现资源的共享与交流就离不开通信理论的支持（举例：快递网络，通信的体现是公路与运输车辆/计算机网络是通信线缆和介质）

• 通信无处不在：如PC内部各硬件的配合同工作（eg.CPU与内存的配合）、一个企业组织架构，各部门的配合、一个服务背后的各个功能不同的服务器组…）
• 在计算机中的例子：开发程序与数据库的连接、开发过程中前端与后端信息的交互、区块链前端与后端（整个网路的交互）

🔴 通信基础的基石————通信模型

🟤 拓展————建模思想

问题：如何描述一个概念或者问题？

• 自然语言是否可行？当然，但问题在于可能会造成歧义且一人一个版本，不利于交流
  • 歧义举例：“王冕死了父亲”，是王的父亲死了 还是 告知父亲王冕死了的消息？
  • 不利于交流：“four”，英语中意思是“4”，而法语中意思是“烤炉”
• 由此需要规范化————我们把这种方法叫建模
  • 建模：建模是指通过数学、逻辑或其他形式化方法，对现实世界中的现象或过程进行抽象和描述。
  • 建模语言：是建模的工具，它负责由自然语言到规范化语言的过程（经典例子：《离散数学》、项目开发中根据用户需求得出开发模型）
  • 建模的本质：去除无用信息，用完全聚焦于问题本质（如，哥尼斯堡城七桥问题的本质是图论的最短路径问题、拜占庭将军问题本质是分布式系统可信度问题）
  • 建模与计算机实现的不同
    • 建模是一种思维上的抽象化处理，是透过现象剥离出本质的方法。
    • 计算机实现是把这样的本质、思维逻辑用机器实现的一种方法。即问题必需经过建模后才能由计算机实现，但不一定只有计算机这一种方法。

面对要研究的对象，最终都要实现这样的抽象化处理，才能进行后续研究。这就是我们所学的理论的本质，是对问题本质的研究，反过来的出的结论又能作用于现实问题。

🟤 通信知识的建模基石————通信模型

它提供了理论框架和系统化的方法，用于描述、分析和设计通信系统。是对通信知识系统化、理论化研究的伟大第一步🙂‍↕️

🟡 通信模型的概念化/图像化表述

概念化表述

`信源` ————> `发送设备` ——————`信道`——————> `接收设备` ————> `信宿`(↑`噪声源`↑)

• 信源（Source）：产生信息的实体，例如语音信号、文字信息或图像数据。
• 发送器（Transmitter）：对信源产生的信息进行编码和调制，将其转换为适合传输的信号。
• 信道（Channel）：信号传输的媒介，例如电缆、光纤、无线信道等。
• 接收器（Receiver）：对信道中的信号进行解调和解码，恢复原始信息。
• 信宿（Destination）：接收和使用信息的实体。
• 噪声（Noise）：干扰信号传输的外部因素，可能导致信号失真或错误。

图像化表述

🟡 实际中的通信模型举例

举例：

**<font color="orange">通信模型的实际应用</font>**- **计算机网络**：- 信源：用户输入的文本或文件。- 发送器：计算机的网卡，将数据编码为电信号。- 信道：网络传输介质（如双绞线、光纤）。- 接收器：服务器的网卡，将电信号解码为数据。- 信宿：存储数据的数据库或显示结果的终端。- **电话通信**：- 信源：讲话者的声音。- 发送器：电话的麦克风，将声音转换为电信号。- 信道：电信网络（如光纤、电缆）。- 接收器：电话的扬声器，将电信号转换为声音。- 信宿：听者的耳朵。

🟤 通信知识的基石二————《信息论》

全面定义了信息，计算机中只介绍了一小部分

🔴 一切的存在依附于什么？

看起来跑到哲学和科幻方面了？🤓，其实不是。

当下物理学对于世界的解释

• 经典物理视角：物质+能量+场
• 物质（粒子、原子、分子）构成可见实体。
• 能量（如光、热、电磁波）是物质的另一种表现形式（E=mc2）
• 场（引力场、电磁场、量子场）是物质相互作用的媒介，具有物理实在性。
  结论：经典物理认为，世界由物质、能量和场构成，三者可相互转化。
• 量子物理视角：物质≈能量≈信息？
• 量子场论：粒子是场的激发态（如光子是电磁场的量子）。
• 量子纠缠：非局域关联性挑战“物质”的经典定义。
• 信息本体论（如“it from bit”假说）：部分理论认为信息是比物质更基本的实体。
  争议点：是否所有“存在”都能还原为物质/能量？意识、数学规律等抽象存在是否独立于物质？

当前科学共识

✅ 可观测宇宙的一切现象，均能通过物质、能量和场的相互作用解释（标准模型+广义相对论）。

• 即，在已知物理学框架内：我们的一切可归结为物质、能量及其相互作用。

🟤 直接结论————信息要有物理载体

我们的世界是一个由物质（物理学意义上的那个）组成。一切的本质都是物质，那么信息的传递也必然要载体。

• 举例：说话靠声波，打电话靠电磁波，红绿灯是光信号…

PS:

• 所以说计算机是一个离不开物理、数学的学科。它建立在它们上，将它们有机结合后反过来促进科学的进步。（有点C语言诞生是由B语言写，但最后又用自己重构的思想意味。）个人思考：但计算机似乎依旧离不开它的基石，比如硬件（CPU）上受到了当下物理瓶颈的限制（量子隧穿），类似于无论如何软件只能优化而做不到改革，计算机三次革命都是物理学的革命（晶体管——集成电路——大型集成电路）

🟤 信息载体的介绍

🟡 系统化的认识

注意：

根据以上的理论，说我们书上仅仅介绍了信息的载体是波，这是不全面的(如果想要深入了解：推荐《信息论》和 相关物理知识)

🟡 信息的载体的全面介绍

信息的载体是指能够存储、传输和处理信息的物理实体或形式。信息的载体形式是多样化的，波只是其中一种重要的形式。

• 物理介质

• 举例：

  • 纸张：文字和图像可以通过纸张存储和传播。例如，书籍、报纸、文档等。
  • 磁性材料：硬盘中的数据通过磁性材料存储。例如，硬盘驱动器（HDD）。
  • 半导体材料：计算机芯片中的信息通过半导体材料存储和处理。例如，固态硬盘（SSD）、内存条（RAM）。
  • 光学介质：光盘（如CD、DVD、蓝光光盘）通过光学材料存储数据。
  • DNA：生物体中的遗传信息通过DNA的化学结构存储和传递。
  • 神经信号：生物体内的信息通过神经信号传递，例如大脑中的电信号。

• 能量形式

• 举例：

  • 电磁波：无线通信（如Wi-Fi、蓝牙、手机信号）通过电磁波传输数据。
  • 光波：光纤通信通过光波传输大量数据。
  • 声波：声音通过声波在空气中传播，例如人类的语言交流。

• 量子形式

• 举例：

  • 量子比特（Qubit）：量子计算中，信息通过量子比特存储和处理。
  • 光子：量子通信中，光子的量子态用于传输信息。

🟡 能量形式载体的介绍

信息的载体有多种，能量新式只是其中一种载体，但并不是唯一的形式。

🟢 能量形式多种多样

信息的能量形式多种多样，如静态磁场、热能、机械能、化学能和量子能，同样可以用于信息的存储和传输。其中,波是一种常见的形式。

• 波的介绍： 波是能量传递信息的最常见形式之一,但信息的能量形式并不等同于波
• 其他能量形式：静态磁场：磁卡通过磁化状态存储信息。/热能：某些传感器可以通过温度变化传递信息。

🟢 其中常见的能量形式之一 ———— 波

🔵 介绍

波是一种能量的传播形式，它在许多情况下可以作为信息的载体。波的本质在于它能够通过介质（如空气、水、光纤等）或真空传播能量和信息。

• 虽然波是信息载体的一种重要形式，但它并不是唯一的。

波的形式可以是：

• 机械波：如声波，通过介质的振动传播。
• 电磁波：如光波、无线电波，通过电磁场的振动传播。
• 量子波：如光子的波动性，用于量子通信。

波在以下领域中非常重要：

• 通信领域： 电磁波和光波是无线通信和光纤通信的核心载体。
• 声学领域：声波是声音传播的载体，用于语言交流和音乐传播。
• 量子领域：光子的波动性是量子通信的基础。

其他形式的载体在某些应用场景中同样重要：

• 存储领域：硬盘、SSD、光盘等物理介质用于数据的长期存储。
• 计算领域：半导体材料用于计算机芯片的制造，支持数据处理和存储。
• 生物领域：DNA和神经信号是生物信息存储和传递的基础。

🔵 波的特点

🟣 波的物理特性部分总结

特性	定义	单位	描述
频率 (Frequency)	单位时间内波的周期性重复次数。	赫兹 (Hz)	频率越高，波的周期越短，可以传输的数据量越多。
波长 (Wavelength)	波在一个周期内的物理长度。	米 (m)	波长与频率成反比，波长越短，频率越高。
振幅 (Amplitude)	波的最大偏离值。	伏特 (V) 或 分贝 (dB)	振幅越大，信号的强度越高。
相位 (Phase)	波的相位偏移。	度 (°) 或 弧度 (rad)	相位变化可以用于调制和解调信号。
偏振 (Polarization)	波的振动方向。	无单位	偏振在光通信中非常重要，可以用于增加信道容量。
带宽 (Bandwidth)	信号的频率范围。	赫兹 (Hz)	带宽越大，可以传输的数据量越多。
是否需要介质	波是否需要介质来传播。	无单位	机械波需要介质，电磁波不需要介质(电信号并不是独立于机械波和电磁波的形式，而是电磁波的一种特殊形式。需要介质)

🟣 波的传输特性部分总结

特性	定义	单位	描述
传播速度 (Propagation Speed)	波在介质中传播的速度。	米/秒 (m/s)	影响信号的延迟。光在真空中的传播速度约为3×10^8 m/s，在光纤中的传播速度约为2×10^8 m/s。
衰减 (Attenuation)	信号在传输过程中强度的减弱。	分贝/千米 (dB/km)	影响信号的传输距离。在长距离传输中，需要使用放大器或中继器来补偿衰减。
色散 (Dispersion)	不同频率的波在介质中传播速度不同，导致信号失真。	无单位	影响信号的质量和传输距离。在光纤通信中，色散是限制传输距离的重要因素之一。
反射 (Reflection)	波在介质边界处的部分能量被反射回原介质。	无单位	影响信号的完整性和传输效率。在光纤和电缆中，反射可能导致信号干扰。
折射 (Refraction)	波在不同介质之间传播时方向的改变。	无单位	影响信号的传播路径。在光纤通信中，折射用于引导光信号在光纤中传播。
散射 (Scattering)	波在介质中遇到不均匀性时，能量向多个方向散射。	无单位	影响信号的强度和质量。在无线通信中，散射可能导致信号衰减和失真。
吸收 (Absorption)	介质吸收波的能量，导致信号强度减弱。	分贝/千米 (dB/km)	影响信号的传输距离。在光纤和电缆中，吸收是导致衰减的主要原因之一。
多径效应 (Multipath Effect)	信号通过多条路径到达接收端，导致信号叠加和干扰。	无单位	影响信号的质量和传输效率。在无线通信中，多径效应可能导致信号失真和衰落。

🔵 波的物理特性和传输特性会影响啥？

🟣 波的物理特性及其影响

特性	定义	单位	影响
频率 (Frequency)	单位时间内波的周期性重复次数。	赫兹 (Hz)	- 高频率：高带宽，适合短距离高速传输，但衰减快。 - 低频率：低带宽，适合长距离传输，但抗干扰能力强。
波长 (Wavelength)	波在一个周期内的物理长度。	米 (m)	- 短波长：适合光纤传输，高带宽。 - 长波长：适合无线传输，传输距离远。
振幅 (Amplitude)	波的最大偏离值。	伏特 (V) 或 分贝 (dB)	- 振幅越大，信号强度越高，传输距离越远，但容易受到干扰。
相位 (Phase)	波的相位偏移。	度 (°) 或 弧度 (rad)	- 相位变化用于调制和解调信号，影响信号的完整性和传输效率。
偏振 (Polarization)	波的振动方向。	无单位	- 偏振在光通信中用于增加信道容量，影响信号的完整性和传输效率。
带宽 (Bandwidth)	信号的频率范围。	赫兹 (Hz)	- 带宽越大，可以传输的数据量越多，但高带宽信号更容易受到干扰。
是否需要介质	波是否需要介质来传播。	无单位	- 机械波需要介质，适合有线通信。 - 电磁波不需要介质，适合无线通信。

🟣 波的传输特性及其影响

特性	定义	单位	影响
传播速度 (Propagation Speed)	波在介质中传播的速度。	米/秒 (m/s)	- 传播速度越快，信号延迟越小，适合长距离传输。
衰减 (Attenuation)	信号在传输过程中强度的减弱。	分贝/千米 (dB/km)	- 衰减越大，传输距离越短，需要使用放大器或中继器来补偿。
色散 (Dispersion)	不同频率的波在介质中传播速度不同，导致信号失真。	无单位	- 色散导致信号失真，限制长距离传输，需要使用色散补偿技术。
反射 (Reflection)	波在介质边界处的部分能量被反射回原介质。	无单位	- 反射可能导致信号干扰，影响信号完整性和传输效率。
折射 (Refraction)	波在不同介质之间传播时方向的改变。	无单位	- 折射用于引导光信号在光纤中传播，影响信号的传播路径。
散射 (Scattering)	波在介质中遇到不均匀性时，能量向多个方向散射。	无单位	- 散射导致信号衰减和失真，影响信号强度和质量。
吸收 (Absorption)	介质吸收波的能量，导致信号强度减弱。	分贝/千米 (dB/km)	- 吸收导致信号衰减，影响传输距离，需要选择低吸收率的介质。
多径效应 (Multipath Effect)	信号通过多条路径到达接收端，导致信号叠加和干扰。	无单位	- 多径效应导致信号失真和衰落，需要使用调制技术和信号处理方法来减少影响。

🔴 人类的认知构建过程

🟤 纯物理现象

有点存在注主义的感觉，现象就是现象，本身没有任何意义😏，当然，这里面揭示了我们人类理解世界的基本原理。

信息载体与信息的不绑定性

现在我们手上有一红一绿两张卡片，不提供任何情景和对纸片的描述，只能得出手中有这样的纸片，而不知道它们的意义是什么。它可以代表对一个决策的反对或者赞成，也可以代表数字用于加和，也可以代表两个队伍的身份牌。即只要你想，它们可以代表任何概念。即信息与物质的不绑定性。

• 信息的载体不变且不自带意义，而是人为赋予意义后它才携带信息。且赋予的意义不同，所携带的信息不同
• 同时，会发现赋予意义后，卡牌的物理本质无任何改变，即它只是信息的载体，而不是信息本身。
• 信息的载体多种多样，可见或者不可见，但真实存在（比如，电磁波）

有意思的例子：

我们和别人谈论时，谈论一个物体并不一定存在于手边，那是否可以说 对这个物体的描述信息没有信息载体呢？

• 否，这就是上面说的信息的载体多种多样特点的体现。我们在谈论这个物体时候，脑子里一定是有关于这个物体的信息，而和别人交流时，通过说话来沟通，声波变成了信息的载体。（单纯只给一个发音，不知道啥意思，人为规定发音代表的意义后，才能沟通）
• 同时，这也是上面说的，一切存在依附于物理、能量或量子。

🟤 人类的认知构建过程————“符号化” 或 “编码”

物理现象本来无意义，人为给它定义意义，使得满足目的。如，绳结记事，绳结没有专门使用环境，那意义就不明确，如果说它用于记事就是给绳结赋予逻辑意义，由此，绳结与数量的抽象概念对应起来了。这也是信息载体和信息逻辑关系的体现，前者只是物理现象，人们为他赋予意义，由此可以传递信息。

• 这种现象在信息论和认知科学中被称为 “符号化” 或 “编码”。

总结：

人类通过赋予物理现象特定的意义和逻辑关系，使得这些现象能够传递信息。这种过程不仅体现了信息载体的作用，还展示了人类认知构建的过程。通过这种过程，人类可以将无意义的物理现象转化为有意义的信息载体，从而实现信息的存储、处理和传递。

• 举例：规定高电平为0，低电平1;也可以规定高电平为1，低电平为0.

🟤 对信息的编码

为了让信息能够有效地传递，确实需要对其进行编码。编码将抽象的信息转换为具体的物理信号，使得信息能够在物理载体上存储和传输。编码不仅提高了信息传递的效率，还增强了信息的安全性和完整性。

所以，我们要开始编码，即为它赋予意义。

举例：

• 绳结为载体，规定一个绳结代表一是赋予意义的过程。
• 汉字/单词与意义的对应
• 波形的意义，原点到波峰区域是高电平，原点到波谷区域是低电平。

🟡 信息物理载体转化时，信息不变

如从电信号转化为电磁波传输，本质都是表示二进制。

• 电信号的高/低电压对应0/1二进制，而电磁波的波峰/波谷区域对应0/1进制（没有规定，只是举例）。
• 关键在于转换过程时的信息意义对接。即分别查看0/1在电信号和电磁波中对应的载体。然后对应替换就好。
• 如果对应错了，比如0对应电信号的高电压和电磁波的波峰，若把高电压对应了波谷，那么信息就乱套了。

🔴 信道

A与B要沟通，有了信息也有了信息载体。但如果信息不传播到B，也无法沟通。

🟤 介绍

信道（Channel）
信道是一个抽象的概念，是信息传递的路径，它可以是物理的（如光纤、空气、公路）或逻辑的（如网络协议）

• 逻辑定义：信道的本质是信息传递过去的路径,而不是实际指一段路径
  • 如，A把一本书做了防水处理，通过河流运输过去，传给B，可以说这段河流是信道
  • 真空中传过去一段信息，则可以说这段路径是信道。
• 即使在真空中，信道依然存在，只要有适合的信号（如电磁波）能够传播。
• 信号的载体不同，导致可以通过的信道不同。当然，也可以做些处理，让它通过（如书本防水过河传给B/你让书上太空都行）
  • 但这些处理的难度不同，比如机械波就无法在真空传播，这是由它的物理特性定死了，没办法处理。但像书本这样的面对的问题难度就小，有处理的余地。

信道的本质

• 通信理论视角：信道是连接信源与信宿的物理媒介+传输特性的总和
• 数学表述：Y(t)=X(t)⊗h(t)+N(t)
  • h(t)：信道冲激响应
  • ⊗：卷积运算