计算机网络笔记 -by慕鸢（持续更新，考研复习用）

发布于 2022-03-25  1204 次阅读

内容纲要

慕鸢的考研笔记-计网篇

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0x01计算机网络在信息时代的作用

  • 计算机网络已由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施
  • 计算机网络已经成为我们生活中不可或缺的一部分

0x02因特网概述

  • 网络Network 又若干个结点Node和连接这些结点的链路 Link组成。
  • 多个网络还可以通过路由器连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网格，即互联网，因此，互联网是网络的网络 Network of network
  • 因特网 lnternet 是世界上最大的互联网络（用户数以亿计，互联的网络数以百万计)

internet（互联网）是一个通用名词，它泛指有多个计算机网络互联而成的网络，在这些网络之间的通信协议可以是任意的。

Internet（因特网）则是一个专有名词，它指的是全球最大的特定计算机网络，采用TCP/IP 协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

因特网的三个阶段

  1. 1969年，ARPANET，第一个分组交换网络
  2. 1983年，TCP/IP协议的标准化 促使因特网的诞生
  3. 1985年，NSF围绕六个大型计算机中心建设NSFNET（主干网，地区网，校园网）；
  4. 1990年，NSFNET替代ARPANRET，ARPANET关闭
  5. 1991年，美国政府将因特网主干网教给私人公司运行
  6. 1993年，NSFNET被若干个商用因特网主干网替代，政府不再负责因特网运营，让各种因特网服务提供者ISP来运营
  7. 1994年，万维网WWW技术促使因特网迅速发展，我国正式接入Internet
  8. 1995年，NSFNET停止运作，因特网彻底商业化
  9. ISP全称 Internet Server Provider

  • 基于ISP的三层结构

    • 第一层 国际性区域
    • 第二层 区域性或国家性覆盖规模
    • 第三层 本地范围

  • 因特网的组成

    • 边缘部分
    • 核心部分

0x03三种交换方式

  • 电路交换 Circuit Switching

    • 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换

    • 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

    • 电路交换的三个步骤

      1. 建立连接（分配通信资源）

      2. 通话（一直占用通信资源）

      3. 释放链接（归还通信链接）

  • 分组交换 Packet Switching
    • 最重要的分组交换机就是路由器
    • 各分组从源站到目的站可以走不同的路径，也就是不同的路由
    • 分组乱序，分组到达目的地的顺序可能与发送时的顺序不同
    • 发送方
      • 构造分组
      • 发送分组
    • 分组交换机-路由器，存储转发
      • 缓存分组
      • 转发分组
    • 接收方
      • 接收分组
      • 还原报文

电路交换，报文交换，分组交换的对比

0x04计算机网络的定义和分类

  • 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一

计算机网络网络的最简单定义是：一些互相连接的，自治的计算机的集合。

  • ==互连== 是指计算机之间可以通过有线或无限的方式进行数据通信
  • ==自治== 是指独立的计算机，他有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
  • ==集合== 是指至少需要有两台计算机

计算机网络较好的定义是：计算机网络主要是由一些==通用的，可编程的硬件互联==而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来==传送多种不同类型的数据==，并能==支持广泛的和日益增长的应用==

  • 计算机网络的分类

    • 按交换技术分类
      • 电路交换网络
      • 报文交换网络
      • 分组交换网络
    • 按使用者分类
      • 公用网
      • 专用网
    • 按传输介质分类
      • 无线
      • 有线
    • 按覆盖范围分类
      • 广域网 WAN
      • 城域网 WAN
      • 局域网 LAN
      • 个域网 PAN
    • 按拓扑结构分类
      • 总线型网络
        • 优点是建网容易，增减节点方便，节省线路
        • 缺点是重负载时通讯效率不高，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪
      • 星型网络
        • 优点是便于网络拓扑的集中控制和管理
        • 缺点是成本高，中央设备对故障敏感
      • 环形网络 典型-令牌环局域网 单环or双环
        • 环中信号单向传输
      • 网状型网络
        • 每个节点至少有两条路径与与其他节点相连
        • 优点是可靠性高
        • 缺点是控制复杂，线路成本高

    测试题
    1.校园使用的拓扑网络结构是网状
    2.我们目前使用的IP地址是IPv4
    3.双绞线组网时有效长度为100米
    4.目前我们经常使用的组网设备有路由器和交换机

0x05计算机网络的性能指标（1）

  1. 速率
  2. 带宽
  3. 吞吐量
  4. 时延
  5. 时延带宽积
  6. 往返时间
  7. 利用率
  8. 丢包率

  • 比特

    • 计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0

  • 常用数据量单位

    8 bit = 1 Byte (字节)

    1 KB = 2^10^ B = 1024 B

    1 MB = 1 K · KB = 2^10^ · 2^10^ B

    1 GB = 1 K · MB = 2^10^ · 2^20^ B

    1 MB = 1 K · GB = 2^10^ · 2^30^ B

  • 速率

    • 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率

    常用数据率单位

    bit/s (b/s,bps)

    kb/s = 10^3^ b/s(bps)

    Mbps/s = k·kb/s = 10^3^·10^3^ b/s

    Gbps/s = k·Mb/s = 10^3^·10^6^ b/s

    Tbps/s = k·Gb/s = 10^3^·10^9^ b/s

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灵活应用，不能生搬硬套，钻牛角尖

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  • 带宽
    • 带宽在模拟信号系统中的意义，信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
    • 单位： Hz kHz MHz GHz
    • 电话带宽 3.1kHz （300Hz ~ 3.4kHZ）话音的主要频率范围
    • 带宽在计算机网络中的意义
    • 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点的所能通过的‘最高数据率’
    • 单位： b/s kb/s Mb/s Gb/s Tb/s
  • 吞吐量
    • 表示在单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的数据量
    • 经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上有多少数据量能够通过网络
    • 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制
  • 时延
    • 发送时延
      • image-20220327104431741
      • image-20220327104620897
      • 在构建网络时，应该做到各设备间以及传输介质的速率匹配
    • 传播时延
      • image-20220327104905901
      • 一般都假设是光纤
    • 处理时延
      • 一般不方便计算
      • 排队时延，有的教材单列
    • image-20220327105834280
    • image-20220327110016765
    • 具体问题具体分析，发送时延和传播时延都有可能是主导

总结

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0x05计算机网络的性能指标（2）

  • 时延带宽积
    • image-20220327110652728
    • 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特
    • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
  • 往返时间 RTT Round-Trip Time 是指通信双方交互一次所耗费的时间
  • 利用率
    • image-20220327111354633
  • 丢包率 （分组丢失率）
    • 在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率
    • 丢包率具体可分为接口丢包率，节点丢包率，链路丢包率，路径丢包率，网络丢包率
    • 分组丢失的两种情况
      • 分组在传输过程中出现误码，被节点丢弃
      • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可能造成网络拥塞
      • image-20220327112053641
  • 总结

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0x06 计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

  • OSI体系结构 开放系统互连参考模型 简称OSI
  • image-20220327113414251

分层的必要性

  • image-20220327122315647

分层思想举例

  • 应用进程间基于网络的通信

主机中的浏览器应用进程和服务器中Web应用进程之间基于网络的通信

主机端

  • 应用层 按照http协议的规定，构建http请求报文，交给运输层处理
  • image-20220327123822335
  • 运输层 给HTTP请求报文添加一个tcp首部，使之成为TCP报文段，将TCP报文段交给网络层处理

首部的作用是为了区分应用进程，以及实现可靠传输

  • image-20220327124229973
  • 网络层 给TCP报文添加一个IP首部，使之成为IP数据报，将IP数据报交付给数据链路层

该首部的作用主要是为了使IP数据报可以在互联网传输，也就是被路由器转发

  • image-20220327124952145

  • 数据链路层 给IP数据报添加一个首部和一个尾部使之成为帧

    首部的作用是为了让帧能够在一段链路上或一个网络上传输，能够被相应的目的主机接收

    尾部的作用是为了让目的主机检查所接收的帧是否有误码

  • image-20220327125620200

  • 物理层 将帧看做是比特流，并在比特流前加上引导码，将之变换成相应的信号发送到传输媒体 信号通过传输媒体到达路由器

  • 作用是为了让目的主机做好接收帧的准备

  • image-20220327130008868

路由器

  • 物理层 将收到的比特流去掉前导码后，交付给数据链路层，实际上交付的是帧
  • ·
  • 数据链路层 将帧的首部和尾部去掉后交付给网络层，实际上交付的是IP数据报
  • ·
  • 网络层 解析IP数据报的首部，提取出目的网络地址，然后查找自身的路由表，确定转发端口，以便进行转发，之后将IP数据报交付给数据链路层
  • ·
  • 数据链路层 给IP数据报添加一个首部和尾部使之成为帧 将之交付给物理层
  • ·
  • 物理层 把帧看做是比特流，给比特流前面添加前导码，将之变换成相应的信号发送到传输媒体，信号通过传输媒体到达Web服务器

WEB服务器

  • 物理层 将信号变换成比特流，去掉前导码，将之交付给数据链路层，这实际上交付的是帧

  • ·

  • 数据链路层 将帧的首部和尾部去掉后，将其交付给网络层，这实际上交付的是IP数据报

  • ·

  • 网络层 将IP数据报的首部去掉后，将其交付给运输层，这实际上交付是TCP数据报

  • ·

  • 运输层 将TCP数据报的首部去掉后，将其交付给应用层，这实际上交付的是HTTP请求报文

  • ·

  • 应用层 对HTTP请求报文进行解析，然后给主机发回HTTP响应报文

  • 与之前的过程类似，HTTP响应报文需要在Web服务器层层封装，然后通过物理层变换成相应的信号，再通过传输媒体传送到路由器，路由器转发该响应报文给主机，主机通过物理层将收到的信号转化为比特流，之后通过逐层解封最终取出HTTP响应报文

  • image-20220327133020608

计算机网络体系结构中的专用术语

  • 实体 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

  • 对等实体 收发双方相同层次中的实体 通信的应用进程也算实体

  • image-20220327133645269

  • 协议 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合 逻辑通信并不存在，他只是我们假设出来的一种通信

  • image-20220327133940668

  • 协议三要素 语法 语义 同步

    • 语法 定义所交换信息的格式，简而言之，语法定义了所交换信息由那些字段以及何种顺序构成
    • image-20220327134235376
    • 语义 定义收发双方所要完成的操作
    • 主机要访问web服务器，它会构建一个HTTP的GET请求报文，然后将其发送给WEB服务器，WEB服务器收到该报文并进行解析，知道这是一个HTTP的GET请求报文，就在服务器查找它所请求的内容，并将所找到的内容封装在一个HTTP响应报文中发给主机，主机手到报文后，对其进行解析，取出所请求的内容并由浏览器解析显示。这一系列操作就是HTTP协议的语义所定义的
    • 同步 定义通信双方的时序关系 并不是指时钟频率同步
    • 这个是TCP采用 三报文握手 建立连接的过程
    • image-20220327135227957

  • 服务

    • 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务
    • 要实现本层协议还需要使用下面一层所提供的服务
    • 协议是水平的，服务是垂直的
    • 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议，也就是说，下面的协议对上面的实体是透明的

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  • 服务访问点 在同一系统中 相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

    • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段
    • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”
    • 运输层的服务访问点为“端口号”

  • 服务源语 上层使用下层所提供的的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语

  • 协议数据单元PDU 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元

  • 服务数据单元SDU 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元

  • 多个SDU可以合成一个PDU，一个SDU也可划分为几个PDU

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0x07 第一章节小结

0x08 体系结构相关习题

  • image-20220327145359025
  • image-20220327145417328
  • image-20220327145534124
  • image-20220327145739858
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  • image-20220328104940100
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  • image-20220328105909660
  • image-20220328110028741
  • image-20220328110536001
  • B A C D C
  • 时延相关习题
  • image-20220328112241829
  • image-20220328112754336
  • image-20220329111549249
  • image-20220329112233384
  • image-20220329113111304
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1x01 物理层的基本概念

  • 引导型传输媒体

    • 双绞线
    • 同轴电缆
    • 光纤

  • 非引导型传输媒体

    • 微波通信（2~40GHz) 2.4GHz 和5.8GHz频段的WiFi

  • 物理层协议的主要任务

    • 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置
    • 电气特性 指明某条线上出现某一电平的电压表示何种意义
    • 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件出现顺序

  • 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

  • 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要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是什么 也就是封装

1x02物理层下面的传输媒体

  • 导引型传输媒体有同轴电缆、双绞线、光纤、电力线
  • 非引导型传输媒体有无线电波、微波、红外线、可见光
  • 同轴电缆
  • image-20220329135412586
  • 双绞线
  • image-20220329152735169
  • 光纤
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  • image-20220329153503705
  • 电力线
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  • ·
  • 非引导型传输媒体
  • 无线电波
  • image-20220331163412684
  • ·
  • image-20220331163554069
  • 微波通信
  • 频率范围为300MHz~300GHz （波长1m~1mm)
  • 会穿透电离层，地面微波接力通信，卫星通信
  • 需要建立中继站
  • image-20220331164003382
  • ·
  • 红外通信
  • 点对点无线传输
  • 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
  • 传输速率低（4Mb/s~16Mb/s)
  • image-20220331164139557
  • `
  • 可见光通信LiFi
  • 无线电频谱管理机构
  • 中国 工业和信息化部无线电管理局 国家无线电办公室
  • 美国 联邦通讯委员会FCC
  • ISM Industrial Scientific Medical 频段
  • image-20220331164602187

1x03传输方式

  • 串行传输

    数据是一个比特接一个比特传输的，只需要一条传输线路即可

  • 并行传输

    一次发送N个比特而不是一个比特，在发送端和接收端之间需要有N条传输线路

    成本高

    image-20220331165349961

    常见的总线宽度有8位，16位，32位，64位

  • ·

  • 同步传输 VS 异步传输

    接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测 以判别是0或1

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  • ·

  • image-20220331170244351

总结

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1x04 编码与调制

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总结

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1x05 信道的极限容量

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  • ·

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总结

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因特网的组成
网络的组成要素就是：节点和链路

c型 ：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
TCP/IP 五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层
协议：网络通信中“语言”规范的一组规则就是协议

客户/服务器方式 （Client/Server方式）
对等连接方式 （peer to peer）

电路交换 （circuit switching）
请求建立连接 成功建立连接 释放连接

报文交换 （message switching）
特点总结存储转发
报文交换：报文传送到转发节点 转发到下一节点 转发到接收方转发节点

测试题

IEEE 802.15标准研究的是有关{无线个人局域网}
ZigBee技术是一种{无线个人局域网技术}
ZigBee是一种面向自动控制的{近距离，低功耗，低速率，低成本}的无线网络技术
无线个人区域网的简称是{WPAN}
蓝牙技术的特点是{在世界任何地方都能进行通信，语音和数据传输，近距离无线通信，开放的规范}
宽带城域网的功能结构由“三个平台与一个出口”构成，也就是下列的{业务平台，管理平台，网络平台，城市宽带出口}
广域网的主要技术特征为{是一种公共数据网络，研究的重点是宽带核心交换技术}
属于LAN的主要技术特点的是{一般属于一个单位所有，易于建立，维护与扩展，能够提供高数据传输速率，低误码率的高质量数据传输环境，覆盖范围有限，适用于机关，校园，工厂等，由拓扑，传输介质与介质访问控制方法决定其性能}
三层作用
  1. 接入层 解决最后一公里问题。通过各种接入技术，连接最终用户
  2. 汇聚层 实现IP分组的汇聚 转发与交换
  3. 核心层 将多个汇聚层连接起来，为整个城域网提供一个高速，安全的数据传输环境

PSTN 电话交换网 多个光纤组成光缆

宽带城域网的功能结构由“三个平台与一个出口”构成，也就是下列的{业务平台，管理平台，网络平台，城市宽带出口}

OSI参考模型
  • 为学日益，为道日损，损之又损，以至于无为
OSI体系结构 open system interconnect 
用于进程之间的通信
ISO是国际标准化组织
  • 划分原则
  1. 网络中各节点都有相同的层次
  2. 不同节点的同等层具有相同的功能
  3. 同一节点内相邻层之间通过接口通信
  4. 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务
  5. 不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信
物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层
主机A 主机B
应用层 | 应用层
表示层 | 表示层
会话层 | 会话层
传输层 | IMP IMP 传输层
网络层 | 网络层 网络层 网络层
数据链路层 | 数据链路层 数据链路层 数据链路层
物理层 物理层 网络层 网络层

物理层功能 比特流

  • 提供传输数据的通路
  • 传输数据
  • 完成物理层的一些管理工作

数据链路层 帧

网络层 分组

  • 分组转发
  • 拥塞控制
  • 数据的传输中继

传输层 报文

  • 映射传输层地址到网络地址
  • 多路复用与分割
  • 传输连接的建立与释放
  • 分段与重组

会话层

  • 会话连接到传输连接的映射
  • 数据传送
  • 会话连接的恢复和释放
  • 提供对数据交换的管理

表示层

  • 数据格式变换
  • 数据加密与解密
  • 数据压缩与恢复
  • 处理交换信息的表示方式

应用层

  • 通过不同应用软件提供多种服务，如文件传输，收发电子邮件等。
TCP/IP参考模型与OSI参考模型层次对应关系
  • 数据链路层，物理层对应 主机-网络层 它负责通过网络发送和接收IP分组
  • 互联网络层的协议数据单元是IP协议 不可靠的，无连接的数据报传送服务协议 尽力而为
  • 传输层 负责在会话进程之间建立和维护端到端连接，实现网络环境中分布式进程通信 两种协议
  • TCP 可靠的，面向连接，面向字节流的传输层协议 有完善的流量控制与拥塞控制功能
  • UDP是一种不可靠的，无连接的传输层协议

应用层的主要协议

  • 远程登录协议 telnet
  • 文件传输协议FTP
  • 简单邮件传输协议SMTP
  • 超文本传输协议HTTP
  • 域名服务协议DNS
  • 简单网络管理协议SNMP
  • 动态主机配置协议
测试题
1.点对点式网络必须采用存储介质和路由选择
2.internet不是Internet中的一种网络
3.广域网技术研究的重点要放在接入技术上是错的
4.广域网的互联构成了Internet的核心主干网
5.广域网是一种公共数据网络
6.电信，有线电视与计算机网络在IP业务上的融合成为宽带城域网的核心业务
7.城域网的网络平台是由核心交换层，汇聚层与接入层组成的
8.城域网通过城市宽带出口接入国家主干网
9.完善的光纤传输网络是宽带城域网的基础
10.环形网络需要介质访问策略，需要令牌
11.数据报适用于突发式的通信
12.不同主机的同等层通过协议来实现同等层之间的通信
计算机网络通信线路

点对点通信线路 连接两个主机

广播域 有线无线

模拟信号 采样 量化 编码 数字信号

计算机
单工，半双工，全双工通信
单工 信号只能向一个方向运输，任何时候都不能改变信号的传送方向
半双工通信 信号可以双向传送，单必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送
全双工通信：信号可以同时双向 传送
同步技术 
同步传输 
 位同步 
     内同步 外同步
 字符同步
    异步传输 同步传输

同轴线缆的主要特性 
内导体 绝缘层 外屏蔽层 外部保护层

频带传输技术

数字数据编码方法
非归零码
编码规则
1>低电平表示数字0
2>高电平表示数字
缺点 无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步
解决方法：在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号

曼彻斯特编码
编码规则：
1>每比特的周期T分前为T/2与后T/2两部分
2>前T/2传送该比特的反码
3>后T/2传送该比特的源码
特点：子含钟编码
缺点：效率较低

差分曼彻斯特编码
编码规则：
0跳1不跳
编码规则：
1>每比特的中间跳变仅做同步使用
2>每比特的值根据其开始边界
3>每比特开始处如果电平跳变，则表示传输二进制0，不发生跳变表示传输二进制1
4>时钟信号频率等于二倍的发送频率
优点：从电路角度，比曼彻斯特编码容易实现

脉冲编码调制方法

  • PCM技术的典型应用是语音信号的数字化
  • 采样
  • 量化
  • 编码

比特率的定义

  • 数据传输速率在数值上。等于每秒传输的二进制比特数单位为比特每秒 bps
  • 对于二级制数据，数据传输
  • 在实际应用中常用的数据传输速率单位
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1

奈奎斯特准则与香农定理

  • 如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为π/ω ω=π2f 通过理想通信信道，则前后码元之间不产生相互干扰

多路复用技术

作者是超帅的小哥哥