读普林斯顿计算机公开课09网络(下)

1. 手机

1.1. 无线通信系统是手机或移动电话

1.2. “cell（蜂窝电话）​”或“mobile（移动电话）​”

1.3. 在20世纪80年代几乎不存在

1.4. 第一个商用移动电话系统是由AT&T在20世纪80年代早期开发的，手机显得很笨重

1.5. 由于接收功率与距离的平方成比例衰减，所以所分配的频谱内的频带可以在不相邻的单元中重复使用，而不会产生明显的干扰

1.6. 手机是普通电话网络的一部分，但是它通过基站而不是电线与电话网络相连

1.7. 手机共享一个狭窄的无线电频谱，因此承载信息的能力有限

1.8. 手机系统在世界不同地区使用不同的频带，但一般在900～1900MHz之间

1.9. 每台手机都有一个独特的15位数字识别号码，称为国际移动设备标识(IMEI)，类似于以太网地址

1.10. 手机与基站通信时的信号强度很高

• 1.10.1. 手机会动态调整功率，在距离基站较近时降低功率

• 1.10.1.1. 不仅可以省电，也可以减少和其他手机之间的干扰

• 1.10.2. 如果手机位于信号微弱或没有信号的区域，它会更快地耗尽电池电量，因为它在徒劳地寻找基站的过程中大量耗电

1.11. 所有的手机都使用数据压缩技术，从而将信号压缩到尽可能少的比特量，然后加上纠错功能，以应对在发送数据时遇到干扰的情况下，所通过的无线电信道会具有噪声，从而不可避免地发生错误

1.12. 两家大的通信公司Sprint和T-Mobile在2020年合并，其背后的推动力之一是更好地利用它们各自持有的频谱

1.13. 信号塔的位置选择是潜在冲突的另一个来源

1.14. 手机流量很容易受到一种被称为黄貂鱼(stingray)的设备的定向攻击，该设备得名于一种名为StinGray的商业产品

• 1.14.1. 用于被动监视手机，或主动与手机进行接触（中间人攻击）

• 1.14.2. 手机被设计用来与提供最强信号的基站通信

• 1.14.3. 黄貂鱼在一个小的范围内工作，在这个范围内，它能发出比附近任何信号塔都强的信号

1.15. 手机已经成为互联网接入的主要形式，因为它们提供网络浏览、收发邮件、购物、娱乐和网络社交功能，尽管都是在一个小屏幕上

1.16. 随着手机功能变得越来越强大，而且同时保持着高度的便携性，笔记本电脑和手机之间在一些方面正越来越趋同

1.17. 手机还接管了其他设备的功能，包括手表、地址簿、相机、GPS导航器、健身追踪器、录音机、音乐和电影播放器

1.18. 将手机作为热点，让你的电脑通过手机连接到互联网，这有时被称为“网络共享”​

1.19. 手机应用了大量的压缩技术

• 1.19.1. 手机应用了大量的压缩技术

• 1.19.2. 它的频率范围很窄，而且它是由一个说话者的声道产生的，可以为单个说话者的声道进行建模，从而利用个人的声音特点，更好地进行压缩

2. 带宽

2.1. 网络中数据的流动速度不会超过最慢链路的允许范围

2.2. 4G手机应该为在汽车和火车等移动环境中提供约100Mbps的速率，为静止或缓慢移动的手机提供1Gbps的速率

2.3. LTE代表长期演进(Long-Term Evolution)，它不是一个标准，而是一种从3G到4G的路线图

2.4. 5G

• 2.4.1. 首次部署始于2019年

• 2.4.2. 名义上的速度范围为50Mbps～10Gbps

• 2.4.3. 5G手机使用最多三个频率范围，现有的4G手机也使用其中较低的两个频率范围，所以5G在这些波段与4G类似

• 2.4.4. 5G在短程连接（大约100米）中使用更高的频率，从而实现更高的速度

• 2.4.5. 5G还允许在特定领域使用更多设备，这将有助于物联网设备开始使用5G

3. 压缩

3.1. 所有形式的压缩的思想都是尽量减少或消除那些没能充分发挥其表达信息潜力的比特

• 3.1.1. 通过利用更少的比特来对更频繁出现的元素进行编码实现的，可以建立频繁序列的字典，并对重复的计数进行编码来做到

• 3.1.2. 无损压缩可以完美地重建原始图像

• 3.1.3. 有损压缩则丢弃一些接收方不需要的信息，并在质量和压缩系数之间进行权衡

3.2. 压缩数据是一种能更好地利用可用内存和带宽的方法

3.3. 压缩的基本思想是避免存储或发送冗余信息，即那些在通信链路的另一端检索或接收时可以重新创建或推断的信息

3.4. 目标是用更少的比特来编码相同的信息

• 3.4.1. 有些比特不携带任何信息，可以完全删除

• 3.4.2. 一些比特可以从其他比特计算出来

• 3.4.3. 有些则对收信人无关紧要，可以安全地丢弃

3.5. 《傲慢与偏见》

• 3.5.1. 总字数超过12.1万字

• 3.5.1.1. 68万字节

• 3.5.2. 单词之间的空格，有将近110000个

• 3.5.3. e（68600次）​、t（456900次）和a（31200次）​

• 3.5.3.1. 2个比特来表示空格、e、t和a

• 3.5.4. Z只出现了3次

• 3.5.5. X完全没有出现

• 3.5.6. 超过8个比特来表示X、Z和其他不常见的字母

• 3.5.7. j（551次）​、q（627次）​、x（839次）​

• 3.5.8. 霍夫曼编码的算法系统地实现了这一点，它实现了对单个字母进行编码的最佳压缩

3.6. 通过压缩比单个字母更大的块​，并适应源文档的属性，还可以将压缩做得更好

3.7. 图像也可以被压缩

• 3.7.1. GIF（图形交换格式）和PNG（移动网络图形）​，它们适用于主要是文本、线条艺术和纯色块的图像

• 3.7.1.1. 两者都不用于摄影图像

• 3.7.2. GIF只支持256种不同的颜色

• 3.7.3. PNG至少支持1600万种颜色

3.8. 在有些情况下，不需要完全精确复现原始输入，一个近似的版本就足够了

• 3.8.1. 有损压缩技术可以提供更好的压缩性能

3.9. 有损压缩最常用于那些提供给人去看到或者听到的内容

• 3.9.1. JPEG压缩算法能将典型图像压缩为原来的1/10或更小，借此算法生成了广泛使用的．jpg图像，并且图像质量不会出现肉眼所能注意到的明显降低

3.10. MP3及其继承者AAC（高级音频编码）属于MPEG的音频部分，它们是用于压缩声音的感知编码算法

• 3.10.1. 更响亮的声音掩盖了更柔和的声音，以及人的耳朵听不到高于20KHz的频率，而这个频率阈值会随着年龄的增长而下降

• 3.10.2. 可以将标准CD音频压缩为原来的1/10左右

4. 错误检测与纠正

4.1. 如果说压缩是去除冗余信息的过程，那么可以说错误检测和纠正就是添加精心控制的冗余信息的过程，这使得检测甚至纠正错误成为可能

4.2. 算法由IBM的汉斯·彼得·卢恩(Hans Peter Luhn)于1954年发明，可以检测单个数字的错误，以及经常出现的换位错误，即两个位上的数被互换

4.3. 错误检测和纠错在计算机和通信中得到了广泛的应用

4.4. 纠错码可用于任意二进制数据，但针对不同类型可能发生的错误需要选择不同的算法

4.5. 一些主存储器使用奇偶校验位来检测随机位置的单个位错误

4.6. CD和DVD使用的编码可以修复因为长时间运转而带来的位损坏

4.7. 手机则可以应对短时间爆发出来的噪声