计算机网络第二章：物理层
文章目录
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- 物理层概述
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- 物理层接口特性
- 数据通信
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- 数据通信模型
- 相关术语
- 设计数据通信系统要考虑的3个问题
- 数据通信方式
- 数据传输方式（重要）
- 码元
- 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
- 带宽
- 失真
- 奈氏准则
- 香农定理
- 编码与调制
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- 基带信号与宽带信号
- 编码、调制
- 数字编码
- 数据交换方式（重要）
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- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
- 数据交换方式的选择
- 分组交换的两种方式
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- 数据报方式
- 数据报方式的特点
- 虚电路方式
- 数据报和虚电路的比较
- 物理层传输介质
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- 导向性传输介质
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- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
- 非导向性传输介质
- 物理层设备
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- 中继器
- 集线器
物理层概述
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，主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准
物理层接口特性
- 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等
- 电气特性：规定传输二进制位时，线路上的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
- 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
- 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
数据通信
数据通信是指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程
数据通信模型
相关术语
设计数据通信系统要考虑的3个问题
1、采用单工通信/半双工/全双工通信方式
2、采用串行通信/并行通信方式
3、采用同步通信/异步通信方式
数据通信方式
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
半双工通信/双向交替通信：通信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
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，也需要两条信道
数据传输方式（重要）
串行传输：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，速度慢，费用低，适合远距离
并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送，速度快，费用高，适合近距离
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
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。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
码元
数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
- 码元传输速率：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，单位波特
- 信息传输速率：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
带宽
失真
影响因素：正相关：码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰；负相关：传输媒体质量
失真的一种现象——码间串扰
信号振动的频率过快，接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
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，W是信道带宽，单位Hz
香农定理
信噪比
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值
编码与调制
基带信号与宽带信号
编码、调制
数字编码
非归零编码
归零编码，一个码元内最后一定归零
反向不归零编码，遇到0电平发生跳变
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
4B/5B编码（了解即可）
数字数据调制为模拟信号
模拟数据编码为数字信号
PCM脉码调制步骤
- 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。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样地模拟数据，要使用采样定理进行采样：采样频率 >= 2倍信号最高频率
- 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化为离散的数字量，比如把小数的电平幅值取整
- 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
模拟数据调制为模拟信号
数据交换方式（重要）
电路交换
电路交换原理：在数据传输期间，源结点与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：建立连接，数据传输，释放连接
建立连接阶段：A把呼叫请求发送到B，B返回呼叫应答给A
释放连接阶段：A发送释放请求给B，B返回释放应答给A
电路交换特点：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
电路交换优缺点
报文交换
报文：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
报文交换的原理：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的方式
整体过程
报文转发的优缺点
分组交换
分组：大多数计算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
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
分组交换的优缺点
数据交换方式的选择
- 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时间时，选择电路交换，电路交换传输时延最小
- 当端到端的通路由很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适
- 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，尤其适合计算机之间的突发式通信
分组交换的两种方式
数据报方式
- 源主机(A)将报文分成多个分组，一次发送到直接相连的结点(A)
- 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
- 结点C收到分组P1后，对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
- 直到所有分组到主机B
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，网络中的结点可随时接收分组。（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到达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，交换结点还可以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，不适于长报文、会话式通信
虚电路方式
虚电路将数据包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
整体过程
虚电路方式的特点
- 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。（连接服务：首先为分组的传输确定传输路径，即建立连接，然后沿着该路径传输系列分组，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
- 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
- 每个结点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定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的进程服务
- 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路发生故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
数据报和虚电路的比较
物理层传输介质
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中的传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
导向性传输介质
双绞线
双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
常用的有无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线
同轴电缆
同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。通常分为：基带同轴电缆，在局域网中广泛应用；宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统
光纤
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0，光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
非导向性传输介质
物理层设备
中继器
集线器
