深入理解计算机网络—学习笔记三

物理层概述：

计算机网络的“物理层”位于各计算机网络体系结构的最底层（TCP/IP体系结构中的“物理层”功能是集中划分在最低的“网络访问层”中），负责在物理传输介质之上为“数据链路层”提供一个原始比特流（也就是数据是以一个个0或1的二进制代码）的物理连接。但要特别注意的是，“物理层”并不是特指某种传输介质，而是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路
> 物理层的主要作用如下：
构建数据通路
透明传输
传输数据
数据编码
数据传输管理
>物理层所定义的特性：
物理层的主要任务是定义与传输介质、连接器及其接口相关的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性这四个方面。
1.机械特性
机械特性定义了传输介质接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目和排列顺序，以及连接器与接口之间的固定和锁定装置。
2．电气特性
“电气特性”规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配情况，以及传输速率和传输距离限制等参数属性。主要分为三类：非平衡型，差分接收器的非平衡型和平衡型。

非平衡型
每路信号仅使用一根导线传输（是“单线传输方式”），然后所有信号共用一根信号地线
差分接收器的非平衡型
发送器采用的是上面介绍的非平衡工作方式（也就是一路信号也只用一条导线进行传输），但接收器采用“差分”工作方式，且发送器和接收器不是共用一条地线。
平衡型 “发送器”采用双线平衡发送方式，而“接收器”则采用差分处理方式，也不共用地线。
3．功能特性
物理层的“功能特性”是指明传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义，以及物理接口各条信号线的用途，包括：接口信号线的功能规定，接口信号线的功能分类。CCITT V.24建议采用每根接口信号线定义一个功能的方法，是规定接口信号线功能的主要标准之一。
4．规程特性

数据通信基础：
通信子网与资源子网：
“资源子网”是由计算机系统、终端系统、连网的外部设备、各种软件资源与信息资源组成，主要负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。
“通信子网”就是负责网络通信线路建立和通信处理的，为网络用户提供数据传输、转发、加工和转换等通信处理工作，是整个网络数据通信的基础结构。

 通信子网又可分为“点-点通信线路通信子网”与“广播信道通信子网”两类。广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道。

计算机网络数据通信系统基本模型包括：源系统、传输系统和目的系统三大部分。
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数据通信的几个基本概念：
1. 信息（Information）
“信息”是计算机网络中进行交换的一切原始内容统称，可以是一串串的数字，也可以是各种文字，还可以是多媒体的图形、图像和语音。ASCII编码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO646，又称为国际5号码。
2. 数据（Data）
“数据”是“信息”的具体表示形式，是许多信息通过某种方式组成的集合体。
“数据”有“模拟数据”和“数字数据”之分。“模拟数据”是通过连续取值得到的数据，“数字数据”是通过把模拟数据以二进制方式离散取值得到的数据。
3. 信号（Signal）
“信号”是“数据”在传输过程中电信号或光信号的表示形式，有“模拟信号”和“数字信号”两种。“模拟信号” 是“模拟数据”的电平信号表示形式，“数字信号”是“数字数据”的信号电平表示形式。
4. 信道
“信道”就是通信双方物理链路上通过物理层协议建立起来的数据传输通道。默认情况下，一条传输介质就一条信道，但也可以划分多条信道，并且还可实现多信道复用。

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数据传输类型： 两种最基本的数字信号的传输类型——“基带传输”和“频带传输”。
1.基带与频带 “基带”是指信源发出的，没有经过调制的原始电信号所固有的频带（频率带宽），也称为“基本频带”；而“频带”是指对基带信号调制后所占用的频率带宽。
2.基带信号和频带信号 信源发出的没有经过调制的原始电信号就称之“基带信号”; 经过调制后的基带电信号称之为“频带信号”。
3.基带传输和频带传输
在信道中直接传输这种不经过调制的基带信号的方式称为“基带传输”，而在信道中传输经过调制后的频带信号的方式称之为“频带传输”。
在基带传输中，由于不调制，所以整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。而频带传输中往往需要同时发送多种信号（如有数据信号、路由信号，以及各种网络控制信号），这时就可以利用高频率的信号来调制低频率信号，以实现同步传输，提高了信道利用率。
4.基带传输系统和频带数字传输系统
数字基带传输系统的基本结构，主要由编码器、发送端滤波器、传输信道、接收端滤波器、抽样判决器和解码器组成。
5.宽带传输和宽带传输系统 所谓“宽带”（Broadband）就是采用比音频（4KHz）更宽的频带，包括了大部分电磁波频谱，可以说是相对前面所说的“频带”来说的，因为“频带”只是具有有限的频率宽度。 使用这种宽频带进行的数据传输就称之为“宽带传输”。“宽带传输”与“频带传输”具有相同的特点，它也是需要对信源发出的原始信号进行调制，但它将一个信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，而且宽带传输中的所有子信道都可以同时发送信号。宽带传输一定是采用频带传输技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。

计算机网络数据通信的数据传输方式可分“串行传输”和“并行传输”两种。
“串行传输”指的是数据流以串行方式一位位地在一条信道上传输；“并行传输”指的是数据以一组或者整个字符的方式在多条并行信道上同时传输。

根据实现字符同步的模式不同，有“同步传输” 和“异步传输”两种模式。
“同步传输”是一种以数据块为传输单位（通常是以“帧”为单位的），以相同的时钟参考所进行的数据传输模式，因此又称为“区块传输”。在同步传输中的数据块的开始和结尾部分都一个用于数据帧同步的特殊字符、特定的字节或特定的帧。
同步传输的主要优点就是传输效率高，但实现较复杂。主要有SDH、STM和HDLC等。
“异步传输”是以字符为单位进行数据传输的。在发送每一字符代码的前面均加上一个“起始位”信号，以标记一个字符的开始；在一个字符代码的最后也加上一个“停止位”信号，以标记一个字符的结束。异步传输的优点是字符同步实现简单，不需要严格同步，但对每一字符都需加入“起、止”码元，使传输效率降低。主要有ATM技术。

按照通信双方的通信方式来分可以分为以下三种：单工通信、半双工通信、全双工通信。
1.单工通信
在单工通信中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。
“单工”是永远只能往一个方向传输数据。数据发送方和接收方都是固定的。相当于单向车道。
2. 半双工通信
“半双工”在同一时刻只能进行单向数据传输，但是在不同时刻可以进行另一个方向的数据传输。这就相当于双向单车道。
3. 全双工通信
“全双工”在任何时刻可以进行两个方向的数据传输，而且互不影响。这就相当于我们现实生活在中的“双向双车道”。可提高了数据传输速率，最高可以达到带宽的两倍。

数据传输速率与信道带宽：
1.比特率
指单位时间内传输的二进制代码的有效位（bit）数，用Rb（注意这里是小写的b）表示。计算公式为：Rb=1/T （b/s）
2.波特率
指一个数字信号在被调制后，数字信号对载波的调制速率，也即单位时间内载波参数（如频率、相位等）变化的次数，单位为B,用RB（注意这里是大写的B）表示。

物理层传输介质
总体上物理层传输介质可分为以下两大类：
导向性传输介质：也就是信号被固定沿着信道的一个或多个方向进行传输的介质，特指有线计算机网络中所使用的传输介质，如双绞线、同轴电缆和光纤等。

计算机网络中的导向性传输介质主要有双绞线电缆、同轴电缆和光纤电缆三种。

非导向性传输介质：也就是信号在信道中的传输没有固定方向的传输介质，如空气中的无线电波、电磁波，通常是特指在各种无线网络（如WLAN、卫星通信）中所使用的传输介质。

“非导向介质”就是用来无线传输的各种电磁波，在数据通信中主要应用于为短波无线传输、地面微波接力通信、地球卫星通信、WLAN（无线局域网）等（其实像蓝牙这类无线通信也是采用非导向介质的）