【计算机网络】第二章、物理层
2、物理层
大纲
物理层特性，数据通信的基础知识，传输媒体，网络交换技术，调制编码技术，信道复用技术，数字传输系统，宽带接入技术
2.1通信基础
2.1.1基本概念
补充概念：
- 同步传输
- 异步传输
- 影响失真程度的因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
- 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的现象
- 信号带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差
- 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
2.1.2奈氏准则和香农定理
1、奈奎斯特定理（奈氏准则）
（讨论的是码元的极限传输速率）
在奈氏准则和香农定理中，带宽的单位都是Hz
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2WBaud，W是信道宽度，单位是Hz。
公式：极限传输速率为
理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V（单位为b/s）
其中W是理想低通信道的带宽（Hz）；
V表示每个码元离散电平的数目（指有多少种码元）
奈氏准则结论：
- 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的。
- 信道的频带越宽，就可用越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，但没有给出信息传输速率的限制，也就是不限制一个码元对应有多少个比特位。
另外，由于奈氏准则限制了码元的传输速率，所以为了提高数据传输速率，就必须设法让每个码元携带更多的信息量——（多元制的调制方法）。
2、香农定理
在奈氏准则和香农定理中，带宽的单位都是Hz
公式：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
信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+S/N）（单位为b/s）
其中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。
信噪比（dB）=10log10（S/N）
数值上等价，只是表示格式不同，做题时需要注意！
香农定理结论：
- 信道的带宽或者信噪比越大，信息的极限传输速率越高
- 对于一定的传输带宽和信噪比，信息的极限传输速率的上限是确定的
- 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
- 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低上不少。
3、“nice”准则和“香农定理”总结
| 奈氏准则（内忧） | 香农定理（外患） |
|---|---|
| 带宽受限无噪声条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限2W Baud（波特率） | 带宽受限有噪声条件下的信息传输速率。 |
| 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V | 信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+S/N） |
| 要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术 | 要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比。 |
题目：二进制信号在信噪比为127:1的4kHz信道上传输，最大的数据传输速率可以达到多少？
Nice：2x4000xlog2（2）=8000b/s
香农：4000xlog2（1+127）=28000b/s
选择相对较小的最大值：Nice的8kbps
2.1.3编码与调制
1.数字数据编码为数字信号
| 编码名称 | 信号表示机制 | 时钟同步 | 举例 |
|---|---|---|---|
| 归零编码 | 高电平代表1，低电平代表0（或者相反）（每个时钟周期的中间归零） | 可 | / |
| 非归零编码 | 高电平代表1，低电平代表0（或者相反）（不归零） | 否 | / |
| 反向归零编码 | 信号翻转代表0，信号保持不变代表1（或者相反）（不归零） | 可 | USB2.0 |
| 曼彻斯特编码 | 上跳为0，下跳为1 | 可 | 以太网 |
| 差分曼彻斯特编码 | 前半个码元的电平与上一个码元的后半个相同表示1，码元0正好相反（抗干扰） | 可 | 局域网 |
2.数字数据调制为模拟信号
| 数字调制方法 | 改变载波信号的什么表示0和1 | 载波的频率和相位是否改变 |
|---|---|---|
| 幅移键控ASK | 振幅 | 不改变 |
| 频移键控FFSK | 频率 | 不改变 |
| 相移键控PSK | 相位 | 不改变 |
| 正交振幅调制QAM |
3.模拟数据编码为数字信号
采样定理（奈奎斯特定理）
当采样频率大于等于模拟频率的最大频率的两倍时，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。
| 概念 | 解释 |
|---|---|
| 采样 | 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号 |
| 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 |
| 编码 | 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码 |
4.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。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）
2.1.4电路交换、报文交换、分组交换
1、电路交换
先建立连接，然后独占这条通信线路，再进行数据的传输。
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。（通常使用交换机实现）
三个阶段：连接建立、数据传输、连接释放
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 传输时延小 | 建立连接时间长 |
| 数据顺序传送，无失序问题 | 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。 |
| 实时性强，双方一旦建立物理通路，就可以实时通信，适用于交互式会话类同学 | 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出现了故障，必须重新拨号建立连接，不适应突发性通信 |
| 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 | 无数据存储能力，难以平滑通信量 |
| 适用于模拟信号和数字信号 | 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 |
| 控制简单，电路的交换设备及控制较为简单 | 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
一整块报文进行存储转发，然后到达目的主机
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方式。
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文 | 实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换节点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延。 |
| 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 | 只适用于数字信号。 |
| 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 | 由于报文长度没有限制，而每个中间节点都要完整地接受传来的整个报文，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，要求网络中每个节点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少节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。 |
| 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有这条物理通道，多个报文可以共享信道。 | |
| 提供多目标服务：一个报文可以同时发往多个目的地址。 | |
| 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。 |
注意：报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。
3、分组交换
“一整块报文分成若干个小块，并对其进行编号，再将这若干个小块进行两种方式的传送——数据报服务和虚电路服务方式。”
限制每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息，构成分组。
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可以随时发送分组 | 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍然存在存储转发时延，而且其节点交换机必须具有更强的处理能力。 |
| 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。 | 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间。 |
| 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，在交换节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。 | 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，当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。 |
| 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的缓冲区小，减少等待发送时间。 | |
| 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延 | |
| 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。 |
4、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，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
- 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。
- 从信道利用率来看，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。
- 分组交换要比报文交换时延小，尤其适合于计算机之间的突发式数据通信。
分组交换将继续分为数据报和虚电路两种方式。
2.1.5数据报和虚电路
这两种方式都由网络层提供；且数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。
补充概念：
- 无连接服务（数据报为网络层提供）：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。
- 连接服务（虚电路为网络层提供）：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）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。
1、数据报服务
报文被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的就是数据报分组（即网络层的PDU）
数据报服务的流程：主机A现将分组逐个发往与它直接相连的交换节点A，交换节点A缓存收到的分组后查找自己的转发表，按照转发表转发出去（由于不同时刻的网络状态不同，所以转发表也不尽相同）
特点：
- 不需要事先建立连接。可随时发送分组，网络中的结点随时可接受节点。
- 尽最大努力交付，不保证可靠性，传输路径可能不同，也不一定按顺序到达终点。
- 分组要包括发送端和接收端的完整地址，以便分组进行独立传输。
- 分组在交换节点存储转发时，要排队等候处理，会有一定的时延。交换节点还可以根据情况丢弃部分分组，所以会导致丢失分组。
- 网络具有冗余路径，所以对故障的适应能力强。
- 延时一般较小，提高了网络的吞吐量。
- 通信双方不独占某条链路，资源利用率高。
- 分组在某一条链路上传送时不占用网络的其他资源，资源是共享的。
- 不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序不分先后的到达目的结点。
2、虚电路
试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥两者的优点，来达到最优的数据交换效果。
整个通信分为三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放。
特点：
- 通信链路的建立和拆除需要时间开销，所以对于交互式应用和小量的短分组情况有点浪费，但长时间、频繁的数据交换效率较高。
- 路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
- 提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序的到达。
- 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只能进行差错检测，不进行路由选择。
- 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，但要包含虚电信号，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。
- 有一个致命的弱电：若网络中的某个节点或者某条链路出现故障而彻底失效，所以经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。
- 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。
注意：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。
3、比较与区别
| 数据报服务 | 虚电路服务 | |
|---|---|---|
| 连接的建立 | 不需要 | 必须要 |
| 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信号 |
| 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 |
| 对网络故障的适应性 | 出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输 | 所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作 |
| 差错控制和流量控制 | 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 |
2.2.1双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质
1、一些概念
- 传输媒体并不是物理层。
- 传输介质分为导向传输介质（固体媒介如铜缆、光纤）和非导向传输介质（如空气、真空、海水等）。
- 模拟传输要用放大器放大衰减的信号，数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
2、双绞线
双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，双绞线价格便宜。
3、同轴电缆
同轴电缆的抗干扰性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格比双绞线贵。
4、光纤
光纤的特点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
- 抗雷电和电磁干扰性能好。
- 无串音干扰，保密型好，也不易被窃听或截取数据
- 体积小，重量轻
- 容量大
2.2.2物理接口的特性
物理层考虑的是如何连接到各种计算的传输媒体上传输比特流，（物理层）不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性（包括四种特性，如下）
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚树木、引线数量和排列、固定和锁定装置等。
- 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、传输速率和速率限制等。
- 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。
- 过程特性（规程特性）。定义各条物理线路的工作规程和时序关系。