计算机网络学习笔记（二）——物理层

一、基本概念

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

1. 机械特性
   定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
2. 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。
3. 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。
4. 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。

二、数据通信基础知识

1. 术语

码元、速率、波特、带宽
码元传输速率 ——单位：波特
信息传输速率
信源、数据、信号、信道、信宿

这些术语都是数据通信的基础知识，在物理层经常用到，在此罗列出来，暂不进行具体解释了。

2. 三种通信方式

2.1 单工

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

类似：广播

2.2 半双工

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

类似： 对讲机

2.3 全双工

通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

类似：打电话

3. 两种数据传输方式

3.1 串行

将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。

特点： 速度慢、费用低、适合远距离

3.2 并行

将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送

特点： 速度快、费用高、适合近距离

4. 实现同步的传输/通信方式

同步传输
异步传输

5. 编码与调制 （大略了解）

5.1 信号

		数字与模拟
		基带与带宽

5.2 编码

5.2.1 数字数据编码为数字信号

• 数字发送器
• 非归零编码【NRZ】
• 曼彻斯特编码
• 差分曼彻斯特编码
• 归零编码【RZ】
• 反向不归零编码【NRZI】
• 4B/5B编码

5.2.2 模拟数据编码为数字信号

PCM编码器

5.3 调制

5.3.1 数字数据调制为模拟信号

调制器

5.3.2 模拟数据调制为模拟信号

放大器调制器

三、两个定理

1. 失真

影响失真程度的因素

1. 码元传输速度
2. 信号传输速率
3. 噪声干扰
4. 传输媒体的质量

码间串扰

2. 奈奎斯特定理

无噪声、带宽受限
只给出了码元传输速率的限制，没有对信息传输速率进行限制

为了避免码间串扰 —— 内忧

3. 香农定理

有噪声、带宽受限
信道的极限数据传输速率 =$Wlo{g}_2(1+S/N)(b/s)$
有噪声条件下 —— 外患

四、数据交换方式

1. 电路交换

1.1 过程：

建立连接（呼叫/电路建立）
通信（数据传输）
释放连接（拆除电路）

1.2 特点：

独占资源。用户始终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。

1.4 优缺点：

优点

1. 传输时延小
2. 数据顺序传送，无失序问题
3. 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通信。
4. 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道。
5. 适用于模拟信号和数字信号
6. 控制简单，电路的交换设备及控制较简单

缺点

1. 建立连接时间长
2. 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低
3. 灵活性差，双方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
4. 无数据存储能力，难以平滑通信量
5. 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。
6. 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。

2. 报文交换

2.1 什么是报文？

报文（message）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。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

2.2 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，传送过程采用存储转发方式。

2.3 优缺点

优点

1. 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文
2. 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量
3. 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输
4. 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占用这条物理通道，多个报文可共享信道
5. 提供多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址
6. 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方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。

缺点

1. 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。
2. 只适用于数字信号
3. 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器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

3. 分组交换

3.1 什么是分组？

分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组（packet）

3.2 原理：

与报文交换基本相同，都采用存储转发方式，形式上的差别主要在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送结点首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装成信息或报文。

3.3 优缺点：

优点

1. 无建立时延。无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组
2. 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。
3. 简化了存储管理。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。
4. 加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作；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。
5. 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延
6. 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信

缺点

1. 尽管分组交换比报文交换的传输时延小，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。
2. 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理时间
3. 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。

3.4. 数据报方式

过程

1. 源主机（A）将报文分成多个分组，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. 所有分组到达目的主机B，按照每个分组编号进行有序排列！

特点
5. 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，网络中的结点可随时接收分组
6. 同一报文的不同分组到达目的结点时可能发生乱序、重复与丢失
7. 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
8. 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路发送拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
9. 网路具有冗余路径，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，不适于长报文、会话式通信。

3.5. 虚电路方式

虚电路：

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

虚电路是指：一条源主机到目的主机类似于电路路径（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。

过程：

1. 建立连接（虚电路建立）：源主机发送“呼叫请求”分组并收到“呼叫应答”分组后才算建立连接。
2. 数据传输： 每个分组携带虚电路号，分组号，检验和等控制信息。
3. 释放连接（虚电路释放）：源主机发送“释放请求”分组以拆除虚电路。

特点

1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相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。
3. 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择
4. 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据断点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
5. 致命弱点： 当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。

3.6. 数据报方式与虚电路方式的对比

	数据报方式	虚电路方式
连接的建立	不要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证分组的有序到达	保证分组的有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失分组，其他分组路由选择发生变化，可正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

4. 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，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，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

五、物理层传输介质

1. 导向传输介质

1. 双绞线
   屏蔽双绞线（STP）
   非屏蔽双绞线（UTP）
   通信距离一般是几公里到数十公里
2. 同轴电缆
   抗干扰特性更好
   传输距离更远
   价格更贵
3. 光纤
   单模光纤
   多模光纤

2. 非导向传输介质

2.1 无线电波

信号向所有方向传播。较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）

2.2 微波

信号固定方向传播。微波通信频率较高、频段范围宽、因此数据率很高。
应用有：

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

优点

1. 通信容量大
2. 距离远
3. 覆盖广
4. 广播通信和多址通信

缺点

1. 传播时延长（250-270ms）
2. 受气候影响大（eg：强风、太阳黑子爆发、日凌）
3. 误码率较高
4. 成本高

2.3 红外线、激光

信号固定方向传播。把要传输的信号分别转换为各自的信号形式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

六、物理层设备

1. 中继器

1.1 诞生原因

		由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

1.2 中继器的功能

		对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

1.3 中继器的两端

		1. 两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络互连，且两个网段速率要相同。
		2. 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据
		3. 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
		4. 中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发，傻...）

1.4 5-4-3规则：

		网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

2. 集线器（多口中继器）

2.1 集线器的功能

对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

集线器不能分割冲突域。因此，连接在集线器上的工作主机平分带宽