笔记_408_计算机网络_02. 物理层

02. 物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

1. 数据、信号、码元

• 数据：传送信息的实体

  • 传输方式：串行传输（距离远，速度慢），并行传输（距离短，速度快；多条信道）

• 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

  模拟数据（信号）：连续变化的数据（信号）

  数字数据（信号）：取值仅允许为有限的几个离散数据（信号），01

• 码元：用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，是数据通信中数字信号的计量单位

  • 这个时长内的信号称 k 进制码元，该时长称码元宽度
  • 一个码元就是一个脉冲信号，一个码元可能携带多比特的数据

2. 信源、信道、信宿

• 一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道

• 一个数据通信系统主要划分为信源、信道、信宿三部分
  

• 信道

  • 按传输信号形式：模拟信道（传送模拟信号），数字信道（传送数字信号）
  • 按传输介质：无线信道，有限信道

  信道的极限容量：信道的最高码元传输速率 或 信道的极限信息传输速率

• 信道上传送的信号

  • 基带信号：将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输 （基带传输：距离近使用）
  • 宽带信号：将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，再送到模拟信道上传输 （宽带传输：距离远使用）

• 通信双方的三种基本交互方式

  • 单向通信 / 单工通信：1 条信道；如无线电/有线电广播、电视广播
  • 双向交替通信 / 半双工通信：2 条信道
  • 双向同时通信 / 全双工通信：2 条信道；传输效率最高

3. 速率、波特、带宽

• 速率 / 数据率：数据传输速率，单位时间内传输的数据量。用码元传输速率和信息传输速率表示

  • 码元传输速率 / 波特率 / 调制速率 / 波形速率 / 符号速率：单位时间内数据通信系统所传输的码元个数；单位 波特（Baud）
  • 信息传输速率 / 信息速率 / 比特率：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 bit/s

  若一个码元携带 n 比特信息量（2ⁿ 种不同离散值），则 M 波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为 Mn bit/s

  若一个码元所取的离散值为 k 个（携带 log₂k 比特信息），则 M 波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为 Mlog2k bit/s

• 带宽：单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”；单位 bit/s

2.1.2 奈奎斯特定理和香农定理

• 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

1. 奈奎斯特定理 / 奈氏准则

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
$$理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlo{g}_{2}V$$

W：理想低通信道的带宽（Hz） V：表示每个码元离散电平的数目（有多少种不同的码元）

• 结论
  1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
  2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
  3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对比特率给出限制
  4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

2. 香农定理

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
$$信道的极限数据传输速率=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})$$

W：信道的带宽（Hz） S：信道所传输信号的平均功率

S/N：信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率；信噪比（dB）= 10log₁₀(S/N)

• 结论
  1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
  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就确定了
  3. 只要信息的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
  4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

Notes

• 若给出码元与比特数之间的关系，则需同时受两个公式的约束，取较小者

  “二进制”：暗含码元

2.1.3 编码与调制

• 编码：数据 $⟶$ 数字信号
• 调制：数据 $⟶$ 模拟信号

1. 数字数据编码为数字信号

• 归零编码（RZ）：位周期中心跳变为低电平（归零）。跳变可作为时钟信号（用于同步）

• 非归零编码（NRZ）：不用归零。没有时钟信号

• 反向非归零编码（NRZI）：信号翻转代表 0，信号不变代表 1。既不损失系统带宽又能传输时钟信号

  缩写要记得，选题题考过

• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1，相反定义也可

  • 位中心的跳变既可作为时钟信号（用于同步），也可作为数据信号
  • 每位数据（1bit，对应信息传输速率）都需要两个电平（两个脉冲信号，对应码元传输速率）来表示，因此波特率=2比特率
  • 所占用的频带宽度是原始基带宽度的两倍，数据传输速率（比特率）只有调制速率（波特率）的1/2
  • 以太网使用（以太网是局域网）

• 差分曼彻斯特编码：每一位的中心始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有代表1

  • 位中心的跳变可作为时钟信号（用于同步），抗干扰能力较好

  • 常用于局域网

• 4B/5B 编码：将欲发送的数据流每4位一组，按照 4B/5B 的规则将其转换为响应的 5 位码

  • 5 位码共 32 种组合，只采用其中的 16 种对应 16 种不同的 4 位码，其他用作控制码或保留

2. 数字数据调制为模拟信号

调制方法

• 幅移键控（ASK）：调幅

• 频移键控（FSK）：调频

• 相移键控（PSK）：调相

• 正交振幅调制（QAM）：频率相同的条件下，ASK 和 PSK 结合起来，形成叠加信号

  • QAM 技术的数据传输速率
    $$R=Blo{g}_2(mn)$$

    B：波特率 m：相位数 n：振幅种数

3. 模拟数据编码为数字信号

• 对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM）

• 三个步骤

  1. 采样：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

     • 采样定理 / 奈奎斯特定理：$f_{采样频率}\ge 2f_{信号最大频率}$（才能保证采样后的数字信号保留原始模拟信号的信息）

  2. 量化：电平幅值 $⟶$ 离散数字量（整数）

     采样和量化的实质：分割和转化

  3. 编码：对量化结果转换位对应的二进制编码

4. 模拟数据调制称模拟信号

• 适用频分复用技术（FDM）

2.1.4 电路交换、报文交换、分组交换

1. 电路交换

• 必须先建立一条 专用（双方独占） 的物理通信路径。数据传输期间一直被独占，直到通信结束才释放
• 包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段
• 主要特点：整个报文的比特流连续地从源点直达终点
• 

电路建立后，除源结点和目的结点外，电路上任何结点都采用**“直通方式”接受和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间**

2. 报文交换

• 数据交换的单位：报文（携带源地址、目的地址等信息）

• 存储转发技术

• 主要特点：整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点

• 

主要用于早期的电报通信网中，现在较少适用

3. 分组交换

• 数据交换的单位：分组

• 存储转发技术

• 主要特点：单个分组 / 包（报文分段加上首部）先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点

• 

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

2.1.5 数据报和虚电路

分组交换：两种服务方式都由网络层提供

• 虚电路方式：面向连接
• 数据报方式：无连接

1. 数据报

• 

  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

• 特点

  • 为网络层提供无连接服务
  • 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性（可能出错、丢失、重复、失序）
  • 分组中需包含发送端和接收端的完整地址，以便独立传输
  • 存储转发时需排队等候处理，带来一定时延。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，交换结点还可根据情况丢弃部分分组
  • 网络具有冗余路径；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
  • 存储转发的时延一般较小，提高了网络吞吐量

2. 虚电路

虚电路交换是多路复用技术

• 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
• 三个阶段：虚电路建立（包含路由选择）、数据传输、虚电路释放
• 特点
  • 虚电路方式为网络层提供连接服务
  • 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，结点只进行差错检测，不需进行路由选择
  • 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。
  • 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
• 虚电路提供的服务包括
  • 永久性虚电路 PVC：提前定义好的、基本不需要任何建立时间的端点之间的连接
  • 交换型虚电路 SVC：端点之间的一种临时性连接，这些连接只持续所需的时间，且在会话结束时就取消这种连接

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不需要	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	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，其他分组路径选择发生变化，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

2.2 传输介质

传输媒体

• 导向型传输媒体（固体媒体）：同轴电缆、双绞线、光纤
• 非导向型传输媒体（自由空间）：无线电波、微波、红外线、大气激光、可见光

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输介质

1. 双绞线

   • 最常用的古老传输介质，价格便宜

   • 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：减少对相邻导线的电磁干扰

   • 屏蔽双绞线（外面再加一层由金属丝编织成的屏蔽层，STP）、非屏蔽双绞线（UTP）

   • 在局域网和传统电话网普遍适用

   • 模拟传输和数字传输都可以用双绞线

     • 数字传输，要用中继器将失真的信号整形（距离太远时）
     • 模拟传输，要用放大器放大衰减的信号（距离太远时）

2. 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

   • 按特性阻抗数值的不同

     • 50Ω 同轴电缆 / 基带同轴电缆：主要用于传送基带数字信号，在局域网中广泛应用
     • 75Ω 同轴电缆 / 宽带同轴电缆：主要用于传送宽带信号，要用于有线电视系统

   • （由于外导体屏蔽层的作用）具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，比双绞线贵

   同轴电缆的带宽 / 传输速率更高得益于它的高屏蔽性

   利用一根同轴电缆互连主机构成以太网，则主机之间的通信方式是：半双工

3. 光纤

   • 利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0

   • 光纤脉冲系统的带宽范围极大

   • 主要由纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯传导，包层较纤芯有较低的折射率

   • 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，保密性好，也不易被窃听或截取数据
     • 体积小，重量轻

	定义	光源	特点
单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的光纤	定向性很好的半导体激光器	衰耗小，适合远距离传输
多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤（利用全反射）	发光二极管	易失真，适合近距离传输

光纤的直径减小到与光纤的一个波长相同，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，沿直线传播 —— 单模光纤

【❌错误说法】 光纤越粗，数据传输率越高

4. 无线传输介质

   • 无线电波
     • 较强的穿透能力，可远距离传输
     • 信号向所有方向散播，广泛应用于通信领域（如：无线手机通信、无线局域网 WLAN）
   • 微波
     • 通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高；通信信道的容量大
     • 信号沿直线传播（固定方向），地面的传播距离有限（地面中继站微波接力通信）
     • 微波通信：利用地球同步卫星作为中继转发微波信号。三颗相隔120°的同步卫星基本能实现全球通信
       • 优点：通信容量大、距离远、覆盖广、广播通信和多址通信
       • 缺点：传播时延长、保密性差、误码率较高、受气候影响大、成本高
   • 红外线、激光
     • 信号沿直线传播（固定方向）
     • 要把传输的信号分别转换为各自的信号格式：红外光信号、激光信号

2.2.2 物理层接口特性

• 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性
  • 机械特性：接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
  • 电气特性：接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性：某条线出现的某一电平的电压代表何种意义
  • 过程 / 规程特性：不同功能的各种可能事件的出现顺序
• 常用的物理层接口标准：EIA RS-232-C、ADSL、SONET/SDH

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器 / 转发器

• 功能：对信号（数字信号）进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，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

• 中继器有两个端口

  • 端口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
  • 两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网
  • 中继器两端的网段一定要使用同一个协议（物理层），两个网段的速率要相同（因为没有存储转发功能）
  • 中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都有影响

• 中继器只能在规定范围内进行有效工作，否则会引起网络故障

  • “5-4-3规则”：5 段通信介质 - 4 个中继器串联 - 只有 3 段可以挂接计算机

2.3.2 集线器

• 实质上是一个多端口的中继器
• 对信号进行整型放大，再生（恢复）到发送时的状态，再转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口，以增加信号传输的距离，扩大网络的传输范围
• 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
• 如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效（集线器在一个时钟周期中只能传输一组数据
• 集线器组成的网络是共享式网络，逻辑上仍是一个总线网，只能在半双工状态下工作
• 所有集线器的端口都是属于同一个冲突域，也属于同一个广播域

Notes

• 基带传输 VS 频带传输 VS 宽带传输

  • 基带传输：在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可不经过调制就在信道上直接进行传输的方式

    • 常用于局域网

      大多数以太网采用基带传输，扩大覆盖范围时使用的是中继器（加强基带信号）

    • 常用的编码方法：不归零编码、曼彻斯特编码

  • 频带传输：用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制），将其变成适合于传送的信号后再进行传输

    • 远距离传输或无线传输
    • 可以实现多路复用，提高传输信道的利用率

  • 宽带传输：借助频带传输（如频分复用），将链路容量分解成两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号

    • 所有信道能够同时互不干扰地发送信息，链路容量大大增加

• 同步通信 VS 异步通信

  • 同步通信：先建立同步，时钟同一频率（全网同步、准同步）
    • 通信数据率高，但代价也高
  • 异步通信：起始位、结束位（字符），帧开始、帧结束（帧）

• TDM（时分复用）的的每条支路速率要相等（采用脉冲填充方式），复用线路的通信能力是多条信道的数据率叠加

• 传输时延最小 → 电路交换

  数据无差错传送 → 不应该选用报文交换

  在出错率很高的传输系统中 → 选用数据报方式更合适