408计算机网络学习笔记——物理层

目录

1.数据通信基本知识

1.1.数字信号/离散信号

1.2.单工/半双工/全双工

1.3.串行/并行

1.4.同步/异步

1.5.码元

1.6.信息传输速率

1.7.带宽

2.编码和调制

2.1.数字数据编码为数字信号

2.2.数字数据调制为模拟信号

3.奈氏准则和香农定理

3.1.奈氏准则

3.2.香农定理

4.数据交换方式

4.1.电路交换

4.2.报文交换

4.3.分组交换

4.4.数据交换方式的选择

5.数据报和虚电路(分组交换)

5.1.数据报

5.2.虚电路

6.物理层接口特性

7.物理层的设备

7.1.中继器

7.2.集线器


1.数据通信基本知识

1.1.数字信号/离散信号

1.2.单工/半双工/全双工

单双工:单方向通信,一条信道(只有你说,广播)

半双工:双方都可以发送或者接受,但一方不能同时发送和接受两条信道(对讲机)

全双工:双方可以同时发送或者接受

1.3.串行/并行

串行:字符一个一个发送,一条信道

并行:一次传输多个字符,多条信道

1.4.同步/异步

同步:在一块数据的前面加入1个或2 个以上的同步字符SYN

异步:在数据前加起始位,在数据后加终止位

1.5.码元

码元指的是固定时长的信号波形(电平),该时长内的信号称为k进制码元(离散状态有M种,即为M进制码元,例如:只有高低电平,2进制码元,0,1;4种高低不平的信号,4进制码元,00,01,10,11,而该时长称为码元宽度

不同进制的码元区别在于能携带多少信息量——2进制:0、1,1bit,4进制:00、01、10、11,2bit

1.6.信息传输速率

1.码元传输速率(一秒传输多少码元):单位时间内传输的码元的个数(脉冲个数或者信号变化次数),单位为波特(B)。例:2S内传输4800个码元——2400B

码元传输速率仅与码元长度有关,成反比,码元长度越长,传输速率越低

2.信息传输速率(一秒传输多少比特):单位时间内传输的二进制码元个数(比特数),单位bit/s

两者关系:信息传输速率 = 码元传输速率 * 一个码元携的数据量

1.7.带宽

1.模拟信号中,最高频率 - 最低频率的差值,单位为Hz

2.数字信号中,从一点到另一点通过的最高速率(单位时间内链路通过的数据的数量)。bps(b/s)

2.编码和调制

物理层主要解决的是传输数据比特流,而不是具体的传输媒体

408计算机网络学习笔记——物理层_第1张图片

发送端将数字数据编码为数字信号→调制解调器将数字信号调制为模拟信号→中间系统传输模拟信号→调制器将模拟信号编码为数字信号→接收端将模拟信号编码为数字信号

基带信号:将数字信号0和1用高低电平表示,再放到数字信道上传输(基带传输

宽带信号:将基带信号调制(提高频率)成模拟信号后,再放到模拟信道上传输(宽带传输

距离近、衰减小→基带传输

距离远、衰减大→宽带传输

408计算机网络学习笔记——物理层_第2张图片

2.1.数字数据编码为数字信号

408计算机网络学习笔记——物理层_第3张图片1.非归零编码(NRZ):高1低0

2.归零编码:每个码元都要恢复到零(低电平)

3.反向不归零编码(NRZI):电平翻转表示0,电平不翻转表示1

4.曼彻斯特编码:在一个码元内,前高后低为1,前低后高为1(也可以相反)(数据传输速率只有调制速率的二分之一:一个时钟周期内只有一个bit,但是有两个码元)

5.差分曼彻斯特编码:数据为1,则前半个码元的电平和上个码元后半个电平相同;若数据为0,则相反(bit流之间电位无变化代表1,有变化代表0)

2.2.数字数据调制为模拟信号

调幅+调相所产生的不同种类的码元的个数 = 相位数 * 振幅数

3.奈氏准则和香农定理

码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限(码元传输过快)的现象

只有这奈氏准则和香浓定理中的带宽指的是单位为HZ的带宽

3.1.奈氏准则

限制码元传输的速率B(不考虑噪声)(香农定理限制信息传输速率b/s)

理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog_2{V}

W——理想低通信道的带宽

V——每个码元离散电平的数目(若有16中不同的码元,则需要4个二进制位,则V = 4)

结论:

1.码元传输速率有上限

2.带宽越大,可以使用的码元传输速率越高

3.奈氏准则仅提出对码元传输速率的限制,并没有对信息传输速率进行限制→尽可能提高码元内携带数据量(比特数)

3.2.香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中,信息传输速率有上限值

信噪比 = 10log(S/N) (log以10为底)

信道的极限传输速率 = Wlog_2{1+S/N}

结论:

1.信噪比越大或者带宽越大,信道的极限传输速率越大(降低噪声或者提高信号强度)

2.一定的带宽和一定的信噪比→确定极限传输速率

3.只要当前传输速率 < 极限传输速率,一定能实现无差错传输

4.数据交换方式

4.1.电路交换

1.发送端和接收端必须建立一条专有的物理通信路径,这条路径在传输期间一直被占有,直到通信结束后才释放

2.三个阶段:建立连接→数据传输→释放连接(适用大量数据传输)

3.优点:

A.传输时延小,实时性强(专有线路,适用交互式会话类通信)

B.数据顺序传输,无失序问题

C.全双工

D.适用模拟信号和数字信号

E.交换设备和控制简单

4.缺点:

A.建立时间长

B.信道使用率低(线路独占,即使空闲,别人也不能使用)

C.灵活性差,任何一点出故障必须重新建立连接(不适用突发性通信)

D.无数据存储能力

E.无法进行差错控制

4.2.报文交换

1.无需建立专有线路,传输单位为报文(带有目的地址和源地址),采用存储转发的方式

2.优点:

A.无需建立连接。(相对于电路交换)

B.动态分配线路。选择当前最佳路径(相对于电路交换)

C.提高可靠性。任何一点出问题,可以重新选择路径(相对于电路交换)

D.提高线路利用率。非独占线路(相对于电路交换)

E.多目标服务。一个报文可以发送给多个目的地址(相对于电路交换)

3.缺点:

A.实时性差(存储转发导致转发时延,甚至有可能排队等待)

B.只适用数字信号

C.由于报文没有长度限制,因此,需要大量的缓存空间

4.3.分组交换

与报文交换基本相同,区别在于限制传输数据的长度,过大则划分为多个分组

优点:

A.无需建立连接(相对于电路交换)

B.信道利用率高(相对于电路交换)

C.简化存储管理(相对于报文交换,限制数据最大长度)

D.加速传输(相对于报文交换):对于两个分组来说,存储和转发是可以同时进行的;并且分组一般小于报文,其所需的发送等待时间也更小

E.减小出错概率和重发量(相对于报文交换):分组较小,提高可靠性

F.传播时延低,适用突发式通信

缺点:

A.存在传输时延。即使相交于报文交换已经大大降低,但是仍然比不上电路交换

B.需要传输额外信息量。每个分组都要有目的地址、源地址和编号等控制数据

C.采用数据报可能会失序、丢失等;采用虚电路,会有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

4.4.数据交换方式的选择

1.数据传输量大,且传输时间远大于呼叫时间——电路交换

2.端到端有很多段链路——分组交换

3.考虑信道利用——分组交换(适合突发式通信)

5.数据报和虚电路(分组交换)

5.1.数据报

1.提供无连接(不用事先建立连接)服务(不可靠传输)

2.同一报文的不同分组到达目的结点可能会发生乱序、重复和丢失(不同分组的路径可能不同)

3.每个分组都必须带有目的地址、源地址和分组号

4.在交换存储转发时候可能会产生时延,中间结点可以丢弃部分分组

5.信道某个结点发生故障的时候,会选择另一路径,适应能力强,适用突发式通信,但不适合长报文、会话式通信(采用电路交换)

5.2.虚电路

电路交换和报文交换的结合

虚电路为逻辑连接(可靠传输),中间每个结点都有一个虚电路表

1.三个阶段:

①建立连接:源主机发出呼叫请求并且收到呼叫应答后才算建立完成

②数据传输:每个分组携带虚电路号(不需要带目的地址和源地址)若接收端有多个虚电路传输数据,则表示是哪个虚电路传输的),分组号等信息

③释放连接

2.特点:

①虚电路为网络层提供连接服务(传输前需确定一条线路)。两端之间逻辑连接(电路交换是物理线路)

只需要带虚电路号,而不需要带目的地址和源地址,开销降低(数据报带目的地址和源地址)

不会发生重复、丢失和失序(数据报会发生)

④中间结点只进行差错控制,不进行路径选择(已经有逻辑连接的虚电路)

⑤每个中间结点可能与多个中间结点建立虚电路,两端也可能含有多条虚电路,但每条虚电路只为指定的两端传输数据(区别于电路交换的独占线路)

⑥当虚电路中某个结点失效,则整个虚电路需要重新建立(电路交换一样)

6.物理层接口特性

1.机械特性:针对物理连接的特性。引脚数量、引线数目

2.电气特性:电压范围、传输速率和距离限制(出现数字)

3.功能特性:某一电平表示何种意义(不出现数字)

4.过程特性:工作规程和时序

7.物理层的设备

7.1.中继器

对信号进行再生和还原(线路上的信号功率会衰减,衰减到一定程度会失真,需要还原)

7.2.集线器

起信号放大和转发的作用,目的是扩大网络的传输范围

收到信号后对除了输入端外的其他所有端口转发,但集线器不能分割冲突域→连在集线器上的工作主机平分带宽

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