计算机网络学习笔记（二）——物理层、奈奎斯特/香农定理、物理接口、传输介质、交换、电信网络、无线网络

前言

笔者系电子科技大学2019级在读本科生，针对本学期学校开设的计算机通信网课程，将学习笔记以博客形式上传到CSDN上以便日后复习整理，其中的瑕疵欢迎大家向我指正，在评论区多多交流讨论。

概念

一、物理层功能

物理层服务：提供无结构的bit流传输。
最简单的编码：二进制不归零码
信号变化的快慢，影响数据传输速率。
波特率——码元速率，单位时间内信号的变化次数，单位时间传输码元数量
两种编码模式
1.为多传一些数据，单个信号多层次电平表示的数据更多一些（比如一个信号四个电平编码00到11）信号变化种类为L,可以表达的数据数量为

N = log 2 L 2.为了提高抗干扰、抗衰减的能力，多个信号表达一位数据（例如曼彻斯特编码两个信号辩护表达一bit，有跳变），速率下降。

数字信号不适合长距离传输bit流：衰减、失真
模拟信号传输bit流的调制形式：（1）调幅信号（2）调频信号（3）调相信号

二、信道容量

时域信号变化越剧烈，对应的频域就越宽。
波特率D（单位Baud），比特率I（单位bps）

I = Dlog 2 V

奈奎斯特定理——有限带宽无噪声信道（理想）

最大数据传输速率（比特率） = 2Blog 2 V （bit/s）

• B-信道带宽
• 2-基频为带宽的一半，即有一个谐波。
• V-信号电平级数量
• log 2 V-一个信号变化可以表示多少位数据变化

不能无限提高信道速率，接收方难以区分细微差别的信号。
香农定理——随机噪声信道

最大数据传输速率（比特率） = B log 2（1+S/N）bps

• B-铜线带宽
• S/N-信噪比（dB）
• [ x ] dB = 10log10 x

信道数据传输速率影响因素：
（1）带宽：信号能变化多快
（2）编码效率：每个变化能装多少数据
（3）信噪比：能量的限制
传输参数
① 传输速率不同于计算机1KB=1024B（只有计算机不同）
② Transmission Time（传输时间）Tr ——将N bit送上信道所需时间-》传播速率
③ Propagation delay（传输延迟）Tp ——信号在信道上传播的时间，从信道的一端传到另一端【信道长度为D米，信号传播速度为V，信号传播时间Tp =D/V】
信号（电磁波）传播速度：光速 c ；同轴电缆中V略小于c（以2/3c计算）

④ 误比特率（BER）
BER = 错误的bit数/总bit数 （1）随机误码（2）突发误码

• 随机误码更容易被发现

三、物理层接口规范

常见接口：

• RS-232C（异步传输）
• RJ45（块传输、以太网接口）
• V.35/G.703（同步传输）
• BNC（块传输）
• 光纤接口（块、同步传输）

接口规范：
（1）机械特性
（2）电气特性：电信号
（3）功能特性
（4）规程（过程）特性：针脚
三要素：语法——机械、电气；语义——功能；同步——规程
机械特性：

RS-232C：

• 低速、短距（不过15m，一般3m内）、简单（3根电线）、基本的I/O接口
• EIA 574-9针接口、EIA 232-25针接口
  

电气特性：
3 ~ 25V——逻辑‘1’（mark）
-3 ~ -25V——逻辑‘0’（space）
-3 ~ 3V——不确定
功能特性：

• 收发线路单独分隔开
• DTE（Data Terminal Equipment）、DCE（Data Circuit-termination Equipment）
• 只定义DTE端接口线，DCE端配合DTE的定义
  

功能特性：

规程特性：

四、常见的传输介质

1、双绞线
特性：
（1）抗串扰、抗干扰
（2）LAN典型组网连接方式：一发全收
（3）一股双绞线有四对八根，两队线实现双向传输
（4）非屏蔽（UTP）、屏蔽（STP）
（5）成本低、星型组网结构，安装维护方便
2、同轴电缆
（1） 基带电缆（基频）传输较近、宽带电缆（频带）传输较远
（2）LAN组网一发全收
（3）成本低，应用广泛有缺陷
3、光纤
（1） 光线传输单向、光纤中全内反射
（2）单模光纤，速率高传输较远
（3）多模光纤，速率低传输较近
（4）光纤网络——LAN、WAN，环型点到点连接的集合；无源星型：广播网络
4、无线传输（空中接口）
（1） 考虑因素：频带带宽、方向性、传输距离、衰落特性、穿越障碍物能力、干扰等
（2）频率低，传播远；波长大，绕射强；频率高，可用带宽大
（3）LF（长波）MF（中波）HF（短波）VHF/UHF（超短波）SHF/EHF（微波）THF，红外，激光

• 频带宽度估算：可用中心频率正负10%简单计算
  LF：10^5*20% = 20kHz
• ISM频段，指定给工业、科研和医疗使用，个人不需要经过授权可短距使用

五、传统电信网关键技术和结构

交换——具有多个输入/输出端口的中继设备（节点），如交换机、路由器、网关等
将每个输入端口的输入数据输出到指定的输出端口上。

交换技术：
（1）电路交换（线路交换）
（2）存储—转发交换：①分组交换a.虚电路（Virtual Circuit）b.数据报（Datagram）
（3）报文交换

电路交换——面向连接的通信，占用专用点到点的一条信道
通信三阶段-呼叫期、通信期、拆除期
分组交换——数据以分组为单位传输

• 分组：数据块、定长或可变长；每个分组具有特定结构（格式）——头部 + 载荷；

中继节点先存储再转发
WHY存储：节点CPU处理能力有限；输出端口可能出现分组碰撞问题
虚电路和数据报
1.虚电路-面向连接：类似电路交换三个阶段，虚电路不占用专用线路，进行复用，要进行差错控制和流量控制。
2.数据报交换：面向无连接：每个分组包含目的地址信息，每个分组都被独立处理，可能沿不同路径
3.报文交换类似分组交换，看作是分组交换的前身。
应用：
① 电路交换-适合高负荷的持续通信和实时通信，不适合突发通信
② 虚电路-适合于实时、稳定通信
③ 数据报-适合突发性短报文传输，不适合实时通信。

六、电信网的演进

电话系统（PSTN-Public Switched Telephone Network）
结构——高度冗余，多层次的分层结构

1.本地回路
数据传输方式：调制解调 Modem（调制解调器，猫）
（1） 电话线带宽与传输距离有关
（2）采用数字用户线（xDSL）技术
a.ADSL

1. DMT-划分信道
2. 上下行速率不对称
3. 特点①数话同传②不对称③速率可调（子信道个数）④速率较高

b.无线本地回路（WLL）:LMDS（本地多点分布式服务）、IEEE802.16（无线城域网）

1. 固定无线接入
2. 毫米波
3. 结构：用户+基站
4. 集中控制
5. 上下行不对称
   

2.干线
a.多路复用技术（Multiplexing）

1. 频分多路复用FDM、波分多路复用WDM、时分多路复用TDM
2. 电话干线通常采用时分复用数字干线
3. 光纤通信标准：SONET（美国）、SDH（中国）同步光网络采用环形网络

b.SDH（采用时分复用技术）
长距离的光纤信道几乎都用做SDH的光传输通道
c.B-ISDN：更高宽带、底层采用ATM技术
d.ATM（Asynchronous Transfer Mode）
① 三层结构：网络、链路、物理
② 异步时分复用-提高信道利用率
③ 定长信元
④ 交换方式：虚电路
⑤ 介质：光纤，100m内的同轴电缆或双绞线
⑥ 运行在SONET/SDH，承载PSTN干线、ISDN业务
传统电信网络技术逐渐被“全IP”技术替代

七、无线通信系统

解决焦点：（1）无线：信道划分与分配（2）移动：信道切换、漫游

• 无线蜂窝网：频率重用
• 模拟蜂窝电话：（1）AMPS（美洲）（2）FDM
• 数字蜂窝电话：（1）GSM（欧洲）（2）FDM、TDM

2G：GPRS技术
3G：CDMA为基础，带宽更高
4G：OFDM编码，智能天线；扁平化网络
蜂窝网第四代——4G LTE
特点：

1. 高流动性接入，峰值速率大于100Mbps
2. 动态共享和利用网络资源，支持更多并发用户
3. 基于IP分组交换

通信卫星

1. 地球同步卫星
2. 中轨卫星
3. 低轨卫星-铱系统
4. DTN深空网；用于太空网的延迟容忍网络协议

参考资料

中国大学MOOC电子科技大学计算机通信网络
计算机网络（第五版） 清华大学出版社 严伟、潘爱民 译