【计算机网络】物理层——通信基础

物理层

通信基础

基本概念

• 数据：传送信息的实体；
• 信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式；
  • 数据和信号都可用“模拟的”或“数字的”来修饰；
  • 连续变化的数据或信号称为模拟数据或模拟信号；
  • 取值仅允许为有线几个离散数值的数据或信号称为数字数据或数字信号；
• 信源：产生和发送数据的源头；
• 信道：信号的传输媒介；
• 新宿：接收数据的终点；
• 速率：也称数据率，指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量
  • 码元传输速率：又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位为波特，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，码元速率与进制数无关；
  • 信息传输速率：又称信息速率、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；
• 带宽：
  • 原指信号具有的频带宽度，单位赫兹Hz；
  • 在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力；因此，带宽表示单位时间内从网络中的某一点从另一点所能通过的“最高数据率”，此时单位为b/s;

奈奎斯特定理和香农定理

奈奎斯特定理

• 理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog₂V（单位b/s）
• 又称奈式准则，规定：
  • 在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，V表示每个码元离散电平的数目；
• 结论：
  1. 在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若传输速率超过此上限，就会出现码间串扰问题，是的接收端不可能完全正确识别码元；
  2. 信道的频带越宽（通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输；
  3. 奈式准则未对一个人码元可以对应多少个二进制位给出限制；

香农定理

• 信道的极限数据传输速率 = Wlog₂(1+S/N)（单位b/s）
• 其中：
  • W为信道带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率，S/N为信噪比；
  • 信噪比：信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比 = 10log₁₀(S/N)（单位为dB）
• 结论：
  1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高；
  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是确定的；
  3. 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差别传输；
  4. 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道所能达到的传输速率要比他低不少；

编码与调制

数字数据编码为数字信号

• 

1. 归零编码（RZ）：高电平代表1，低电平代表0每个时钟周期的中间均跳转为低电平；
   • 归零需要占用一部分带宽，因此传输速率受到了一定的影响；
2. 非归零编码（NRZ）：与RZ编码区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据；
   • NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，一次若想传输高速同步数据，需要带有时钟线；
3. 反向非归零编码（NRZI）：与NRZ编码区别是用信号的翻转代表0，信号保持不变代表1；
   • 既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽；
4. 曼彻斯特编码：将一个马原分成两个相等的时间间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法则正好相反；也可采用相反的规定；
   • 位中间的跳变即作为时钟信号用于同步，又作为数据信号，但他所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍；
   • 以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码；
5. 差分曼彻斯特编码：常用于局域网传输；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电平相同；若码元为0，则规则相反；
   • 在每个码元中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好；
6. 4B/5B编码：将欲发送的数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共有32种组合，但只采用其中的16种对应16中不同的4位码，其他16中作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留；

数字数据调制为模拟信号

• 

1. 幅度键控（ASK）：按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二进制0，载波振幅为0；对应二进制1，载波振幅为1；
   • 调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术；
   • 在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率；
2. 频移键控（FSK）：按数字数据的值（0或1）调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为F1，而对应二进制1的载波频率为F2；
   • 该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大；
   • 在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率；
3. 相移键控（PSK）：按数字数据的值调制载波相位。例如用180相移表示1，用0相移表示0；
   • 这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用

模拟数据编码为数字信号

• 采样 -> 量化 -> 编码

1. 采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号；
   • 采样频率必须大于等于最大频率的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息；
   • 采样定理又称奈奎斯特定理；
2. 量化：把采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；
   • 采样和量化的实质就是分割和转换；
3. 编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码；

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。这种调节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；

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

• 电路交换的关键点是，在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽；
• 优点：

优点	解释
通信时延小	通信线路为通信双方专用，数据直达
有序传输	双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题
没有冲突	不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现征用物理信道的问题
适用范围广	既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号
实时性强	通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信
控制简单	交换设备（交换机等）及控制均较简单

• 缺点：

缺点	解释
建立连接时间长	电路秒换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长了
线路独占	使用效率低，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能提供其他用户使用，因而信道利用率低
灵活性差	只要在通信双方建立的通信中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的
难以规格化	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，也拿已在通信中进行差错控制

注意：电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间

报文交换

• 数据交换单位是报文，保温携带有目标地址、源地址等信息，报文交换在交换节点采用的是存储转发的传输方式；
• 优点：

优点	解释
无需建立连接	不存在建立连接的时延，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，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
提高线路可靠性	若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，因此提高了传输的可靠性
提供多目标服务	一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的

• 缺点：
  1. 由于数据进入交换节点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延；
     • 该转发时延包括：接收报文、检验正确性、排队、发送时间等
  2. 报文交换对报文大小没有限制，这就要求网络节点需要有较大的缓存空间

分组交换

• 又称为报文分组交换，基于报文交换，将报文划分为更小的数据单位：报文分组（也称为段、包、分组）；
• 分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去；
• 优点：

优点	解释
加速了数据在网络中的传输	分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多
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
减少了出错机率和重发数据量	分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延
由于分组短小	更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些

• 缺点：

  1. 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；
  2. 分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加；
  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

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