计网知识点2-物理层-1通信基础

物理层研究的是怎样才能在连接各台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。

2.1通信基础

2.1.1基本概念

1.数据、信号与码元

数据是指传送信息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据传输方式可分为串行传输和并行传输。

串行传输：是1比特1比特地按照时间顺序传输，通常用于远距离通信

并行传输：是若干比特通过多条通信信道同时传输

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，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，而该时长称为码元宽度。1码元可以携带若干比特的信息量。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。

2.信源、信道与信宿

数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

信源是产生和发送数据的源头。信宿是接收数据的终点。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。

信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质，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。噪声源是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

信道按传输信号形式的不同，可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道；按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道。

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（基带传输）；宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输（宽带传输）。

通信双方信息的三种基本交互方式：单向通信、半双工通信、全双工通信

信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

3.速率、波特与带宽

速率也称数据率，指的是数据传输速率，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，具有数量关系。最高数据率称为带宽。

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（也称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。码元可以是多进制或二进制，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，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位是比特/秒

2.1.2奈奎斯特定理与香农定理

1.奈奎斯特定理（奈氏准则）

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输中衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，码间串扰。

奈氏准则规定：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。若用V表示每个码元离散电平的数目（指有多少种不同的码元，如有16种不同的码元，则需要4个二进制位，因此数据传输速率的值是码元传输速率的4倍），则极限数据率为

                理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V

信道的频带越宽，就可用更高的速率进行码元的有效传输。奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即没有限制一个码元可以对应多少个二进制位。要提高数据传输速率，就要使每个码元携带更多比特的信息量，需要采用多元制的调制方法。

2.香农定理

香农定理给出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，用此速率传输时，可以做到不产生误差。

                        信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+S/N）

W为信道的带宽，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

香农定理说明：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错的传输。也从侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的的。

2.1.3编码与调制

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。

信号是数据的具体表现形式。数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输。模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。下面四种编码方式

1.数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。编码就是定义用什么样的数字信号分别表示0和1。常用的数字数据编码方式如下：

归零编码RZ：在每个时钟周期的中间均跳变为低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，为双方提供了自同步机制。但归零占用了一部分带宽，传输速率受损。

非归零编码NRZ：无法传递时钟信号，双方难以同步，若想传输高速同步数据，需要都带有时钟线。

反向非归零编码NRZI：用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0通信的编码方式就是这种。

曼彻斯特编码Manchester Encoding:将一个码元分成两个相等的间隔，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正好相反。每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号用于同步，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。以太网使用的这种编码方式。

差分曼彻斯特编码：常用于局域网传输，规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，在情形相反。在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

4B/5B编码

2.数字数据编码为模拟信号

数字数据调制技术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。基本的数字调制方法有下面几种：

幅移键控ASK：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变。比较容易实现，但抗干扰能力差。

频移键控FSK：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变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。

相移键控PSK：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变。分为绝对调相和相对调相

正交振幅调制QAM：在频率相同的前提下，将幅移和频移结合起来，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，则数据传输速率R= Blog2 （mn）

3.模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。包括三个步骤，采样、量化、编码

采样定理（奈奎斯特定理）：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差。将模拟信号转换成数据信号时，原信号中最大频率为f，则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的信息。

采样是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。

量化是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，就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。

编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

4.模拟数据编码为模拟信号

为实现传输的有效性，可能需要较高的频率。该调制方式可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，摸你的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

2.1.4电路交换、报文交换与分组交换

1.电路交换

在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该路径可能经过许多中间结点。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，直到通信结束才释放。电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。优点有通信时延小、有序传输、没有信道冲突、适用范围广（模拟和数字信号）、实时性强（中间结点没有存储转发环节）、控制简单；缺点出现故障必须重新拨号、不同终端很难相互通信。

2.报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。优点：无需建立连接，随时发送报文、交换设备动态分配线路、提高线路可靠性和利用率、提供多目标服务，同时发送给多个地址；缺点：交换结点的转发时延、对报文大小无限制，网络结点缓存空间要够。

3.分组交换

分组交换也采用存储转发方式，但限制了每次传送的数据块大小的上限，大小合理的数据块加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。网络结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据控制信息把分组送到下个合适结点，直到目的结点。优点：无建立连接时延、线路利用率高、简化了交换结点中的存储管理、分组方式加速了传输、减少了出错概率和重发数据量；缺点：存在存储转发的时延、要传输控制信息的量、分组交换采用数据报服务时，可能会失序、丢失和重复分组，目的结点要排序。若采用虚电路服务，会有呼叫建立、数据传输和虚电路释放过程。

传送的数据量很大且其传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适。端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换较合适。分组交换比报文交换的时延小，尤其适合计算机之间的突发式数据通信。

2.1.5数据报与虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式，两种服务方式都由网络层提供。

1.数据报

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干个带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层的PDU）。中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点。

数据报服务的特点：不需建立连接、传输不保证可靠性、交换结点存储转发排队、网络有冗余路径对故障适应力强。

2.虚电路

虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点。在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放。

在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别与本系统中的其他虚电路。在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个结点上都维持一张虚电路表，表中的每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。数据的传输时双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。

虚电路建立：呼叫请求分组、呼叫应答分组

数据传输：虚电路建立后，双方都可发送数据

虚电路释放：数据传送结束后，释放请求分组、释放应答分组，逐段断开整个连接

虚电路建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况是浪费，但适合长时间、频繁的数据交换；具有可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达，还可以控制两个数据端点的流量；但当网络出现故障时，虚电路会被破坏；分组首部不包含目的地址相对于数据包方式开销小。

虚电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个结点之间建立虚电路。每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间可以有多条虚电路为不同的进程服务。

虚电路服务的数据传输过程是有确认的传输（由高层实现）。网络中的传输是否有确认与网络层提供的两种服务没有任何关系。