【王道计算机网络笔记】物理层-通信基础

物理层接口特性

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）

物理层定义的接口特性

• 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
• 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等，例如，某网络在物理层规定，信号的电平用+10V_{+15V表示二进制0，用-10V}-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途，例如，描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义/意义
• 规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

典型的数据通信模型

数据通信相关术语

通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）
数据通信指在不同计算机之间传输髰信息的二进制数0/1序列的过程

数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列，例如0/1序列
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

• 数字信号/离散信号：表示消息的参数的取值是离散的

• 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的

传送的消息是“在吗”；数据就是计算机把传送的消息翻译成计算机能理解的语言，即有意义的符号序列；数据再放到链路上传输，就要以信号的形式存在。信号的类型取决的信道的类型

信源：产生和发送数据的源头
信宿：接收数据的终点
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向发送信息的介值，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。也就是说信道一般是有方向性的
按传输信号分：模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
按传输介值分：无线信道、有线信道

设计数据通信系统要考虑的三个问题

• 采用单工/半双工/全双工通信方式？（交互方式）
• 采用串行/并行通信方式
• 采用同步/异步通信方式

三种通信方式（交互方式）

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
   例如：你说我听着、广播
2. 半双工通信/双相交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
   例如：你一句我一句（时间错开）、对讲机
3. 全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道
   例如：一起说（对撕）、打电话

串行传输&并行传输（数据传输方式）

1. 串行传输：将表示一个字符的8位二进制按由低位到高位的顺序一次发送
   速度慢，费用低，适合远距离
   

2. 并行传输：将表示一个字符的8为二进制数同时通过8条信道发送
   速度快，费用高，适合近距离。例如用于计算机内部数据传输
   

同步传输&异步传输

1. 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据（接收端在发现同步字符的时候就准备接收数据，实现发送方和接收方的时钟同步）
   例如，唱歌之前1、2、3，起
   

2. 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。发送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位（发送的数据不是连续的）
   例如，键盘上敲数字
   

   

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元的宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元
1码元可以携带多个比特的信息量，例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态，因此携带一个比特信息量；使用四进制编码时，有四种不同的码元，因此可以携带两个比特信息量
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数字信号的每一个小平台就是一个码元。因为这里有两种高低状态，因此是二进制码元

M进制码元所携带的比特信息量为${\log }_{2}Mb$

大写B可以表示波特，也可以表示字节，根据题目来区别，波特是速度单位，字节是存储容量单位

速率

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

• 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等。它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元
  数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，值域码元长度T有关
  $$R_B=\frac{1}{T}(B)$$
• 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud码元传输速率所对应的信息传输速率为$M\times nb/s$

比较不同系统的传输速率实际上是比较信息传输速率，因为系统传输的是比特流

带宽

模拟信号系统中，当输入信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时（即-3bB），最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）

在数字设备中，表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒（bps同b/s）
拥有更宽的带宽，也就是有更大的信息运送能力

例如一条高速入口本身一秒内能让5台车上高速，现在加宽高速入口，一秒内能进10台车了，能力就变强了。类似带宽就增加了

除了奈氏准则和香农定理处带宽使用Hz，计算机网络领域其他带宽大多使用bps

失真

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率（越快越严重）
2. 信号传输距离（越远越严重）
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

失真的一种现象——码间串扰

这里200Hz、300Hz、3300Hz、4000Hz是信号带宽
200Hz无法通过是因为频率太低，在电话线上衰减掉了
4000Hz无法通过是因为，码间串扰

信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差，本例中为3000Hz
码间串扰是指接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象（一种信号对应一种码元，二者是相互对应的）
例如，要数走过多少个人，但人与人之间间距很小，速度又很快，就可能数不过来

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud
理想低通信道下的极限数据传输率为
$$2W{\log }_{2}V(b/s)$$
W表示带宽，单位Hz，V表示有几种码元/码元的离散电平数目

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方式

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要，常记为$\begin{array}{r}\frac{S}{N}\end{array}$，并用分贝（dB）作为度量单位，即
$$信噪比(dB)=10{\log }_{10}\left(\frac{S}{N}\right)$$

香农定理是在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值
$$信道的基线数据传输速率=W{\log }_2\left(1+\frac{S}{N}\right)(b/s)$$
这里$\begin{array}{r}\frac{S}{N}\end{array}$就是信噪比，这里要用没有单位的，而不是dB为单位的（如果题目中是以dB为单位的，要用公式换一下）。W为带宽，单位Hz

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
4. 香农定理可以得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率比它低不少
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率没有上限

奈氏准则是为了避免码间串扰，信道极限数据传输速率
香农定理是在有噪声的条件下，信道极限数据传输速率
如果题目中有噪声，那么只需要算香农定理；如果没有噪声，那么两个都需要算，取最小值

基带信号与宽带信号

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路网啊我那个包含一条发送信道和一条接收信道
按传输信号分：模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
按传输介值分：无线信道、有线信道

信道上传送的信号可分为

• 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
• 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，在传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

人声的频率较低，如果直接形成基带信号进行传输可能会有严重的损失，因此我们需要进行调制，提高频率，形成宽带信号，然后进行远距离传输

编码与调制

把数据变换为模拟信号的过程称为调制

• 数字数据通过调制器变为模拟信号
• 模拟数据通过放大器调制器变为模拟信号

把数据变换为数字信号的过程称为编码

• 数字数据通过数字发送器变为数字信号
• 模拟数据通过PCM编码器变为数字信号

数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号

• 非归零编码（NRZ）：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双发难以保持同步，想要保持同步，就需要双方带有单独的时钟线
  例如一下传很长的1，那么接收方就不知道是传了几个1，不知道从哪里断开，此时就需要一条单独的信道来告诉接收方时钟周期，信号怎么读取

• 归零编码（RZ）：信号电平在一个码元内都要恢复到低电平（高1低0，高0低1都用低电平）

• 反向不归零编码（NRZI）：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
  如果有111111这种情况，双方依然需要单独的信道同步时钟

• 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步）又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍
  每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2（因为要跳变两次）
  例如，该信道的码元传输速率是40B，那么信息传输速率只有20b/s

  不太严谨的可以看做一个周期内有两个码元，但只有一个比特的数据

• 差分曼彻斯特编码：同1异0。常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码

• 4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B编码。编码效率为80%
  因为5比特对应32种编码方式，而4比特只有16种，因此只采用16钟对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留

同步就是发送方发送了一个比特，接收方就能知道发送方发送了一个比特

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制级数在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程

• 幅移键控（ASK）：调幅。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
• 频移健控（FSK）：调频。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。
• 相移键控（PSK）：调相。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
• 正交振幅调制（QAM）：调幅+调相。在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。

设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为
$$R=B{\log }_2(mn)b/s$$
注意m个相位，每个相位有n种振幅，就是说有mn种码元

模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使得离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：
   $$f_{采样频率}\ge 2f_{信号最高频率}$$
2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

因为模拟信号是正弦波，函数为
$$y=A\sin (\omega x+\varphi )$$
已知$\omega$也就是信号最高频率，如果我们知道两组x,y，就能求出A和$\varphi$，因此有
$$f_{采样频率}\ge 2f_{信号最高频率}$$
也就是保证在一个周期内采样两次

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

数据交换方式

电路交换（线路交换）

电路交换的原理：在数据传输期间，源结点和目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持

电路交换的阶段：

A向B发送呼叫请求到B后，如果B可以接受A的连接请求，就会发回一个呼叫应答，二者就算连接成功
图为建立连接

释放连接类似

特点：独占资源，用户使用占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况

电路交换优点：

• 传输时延小
• 数据顺序传送，无失序问题
• 实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类同信
• 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会征用物理信道
• 适用于模拟信号和数字信号
• 控制简单，电路交换的设备及控制较简单

电路交换缺点

• 建立连接时间长
• 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其其他用户使用，信道使用效率低
• 灵活性差，双方建立连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信
• 无数据存储能力，难以平滑通信量
• 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端难以相互进行通信
• 无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制

报文交换

报文是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了目标地址、源地址等完整的数据信息，其长度很不一致，长度不限且可变

报文交换原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传输过程采用存储转发方式
所谓存储转发，例如下图的A、B之间，如果有过多的数据进行传输，导致线路繁忙，交换设备就可以暂存一些数据，等到线路空闲再发出去。

因为交换设备自己维护着一张路由表，能够找到下一步走哪个交换设备能尽快的到达目的主机

报文交换技术的优点：

• 无须建立连接。报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可以随时发送报文。
• 动态分配线路。当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条最佳线路，将报文发送出去。可以平滑通信量
• 提高线路可靠性。如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据。
• 提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，且多个报文可共享信道，因而大大提高了通信线路的利用率。
• 提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目的地址
• 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双发可以不同时处于可用状态，这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信

报文交换技术的缺点：

• 实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延
• 只适用于数字信号
• 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储容量，有时要把等待转发的报文存储在磁盘上，进一步增加了传送试时延

分组交换

分组：大多数计算机不能连续的传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块的发送，这种小块就称作分组。把大的数据块划分为小的数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和标号信息等），构成分组

分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点都先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组转成信息或报文

不同小数据块可能走过的交换设备不同，但由于有编号信息，因此仍然能组装成大数据块

分组交换的优点：

• 无须建立连接。报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可以随时发送报文。
• 线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道
• 简化了储存管理，因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易
• 加速传输，后一个分组的传输可以和前一个分组的转发并行操作。此外传输一个分组比一份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间
• 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延
• 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信

分组交换的缺点

• 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力
• 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间。
• 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

数据交换方式的选择

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时间的时候，选择电路交换，电路交换传输时延最小
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适用于计算机之间的突发式的数据通信

分组交换-数据报方式

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，可分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式

1. 源主机A将报文分成多个分组（每个分组添加控制信息等），依次发送到直接相连的结点A
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本
4. 所有分组到主机B（可能到达顺序不同，这时候就需要根据添加的编号进行排序）

数据报方式的特点：

• 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的节点可随时接收分组
  无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同
• 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失
• 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
• 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点骇客根据情况丢弃部分分组
• 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信

分组交换-虚电路方式

虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点

虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识

源主机发送“呼叫请求”分组并受到“呼叫应答”分组后才算建立连接
每个分组携带虚电路号、分组号、检验和等控制信息
与A主机发送“释放请求”分组以拆出虚电路

虚电路方式的特点

• 虚电路方式为网络层提供连接服务。源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接
  链接服务：首先为分组的传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接
• 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需要携带源路径、目的地址等信息，包含虚电路号，先对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失
• 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只进行差错检测不进行路由选择
• 每个结点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特点的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同进程服务
• 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路处故障而彻底失效时，则所有经过该结点或链路的虚电路将遭到破坏