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计算机网络2（物理层）王道

2021-11-08 15:02:19 作者：互联网

物理层接口特征

物理层干什么的？

在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）

机械特性：具体实物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，线路上信号的电压范围、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）定义各物理线路的工作规程和时序关系

数据通信基础

数据通信的流程

为什么通信？

传送数据(语音、文字、图像、视频等)

数据是什么？

传送信息的实体，通常是有意义的符号序列

信号是什么？

数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的

模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的

信源：产生和发送数据的源头

信宿：接收数据的终点

信道是什么？

信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质（可以理解为单行车道），不过一条是发送信道和一条接收信道

信道按传输介质分：可分为无线信号和有线信道

按传输信号分：可分为模拟信道和数字信道

通信的方式？

单工通信：只有一个方向的通信，仅需要一条信道
半双工通信/双向交替通信：通信双发可以发送和接收信息，但是不能同时发送和接收，需要两条信道
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，需要两条信道

数据传输方式？

串行传输&并行传输

同步传输&异步传输

数据传输速率的术语

码元：

一个固定时长的信号波形（数字脉冲）

是数字信号的计量单位

码元是干什么的？

用来代表不同离散数值的基本波形（短波形码元表示长波形数据）

码元传输中的固定时长

这个时长内的信号称为k进制码元

这个时长称为码元宽度

当码元的离散状态有M个时（M>2）,此时码元为M进制码元

1码元可以携带多个比特的信息量。

速率：

也叫数据率，是指数据的传输速率，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

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：也叫码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为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

注意：数字信号有多进制和二进制，但是码元速率和进制无关，只与码元长度T有关，码元长度就是之前所说的固定时长

信息传输速率：也叫信息速率、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(即比特数)，单位是比特/秒

信息传输速率与码元传输速率的关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s

波特：码元传输速率单位，计算理解

带宽：

模拟信号系统中：最高频率和最低频率间的差值，单位是赫兹(Hz)

数字信号系统中：单位时间内某一点到另一点所能通过的“最高数据率”/单位时间内通过链路的数量

常表示网络通信线路的传输数据能力，单位是比特每秒(bps)

奈氏准则&香浓定理（1级重点）

为什么学习？

失真的一种现象，码间串扰

失真

失真的一种现象——码间串扰

奈氏准则(奈奎斯特定理)

理想低通——低通就是低于最高频率可以通过的(无噪声，带宽受限)的条件下，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，单位是Hz。

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
码元的完仝正确识别成为不可能。
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。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
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。
多位二进制数表示码元就是多元调制

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB) 作为度量单位，即:

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。
对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速冰的上限就确定了。
只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就-定能找到某种方法来实现无差错的传输。
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。
从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

数据的编码&调制

预备知识

基带信号与宽带信号

通俗些就是原始信号为基带信号，把基带信号加工处理过的就是宽带信号

编码与调制

数据转成数字信号是编码

数据转成模拟信号是调制

编码调制的方法

数字数据编码为数字信号（1级重点）
1. 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码重点了解
数字数据调制为模拟信号（2级重点）
1. 数字数据调制技术①在发送端将数字信号转换为模拟信号，而②在接收端将模拟信号还原成数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程
  
  有4个相位每个相位有4种振幅,4×4=16种码元
  
  1波特为1秒传输一个码元
  
  1200B× $\huge {log_{2}{16}}$ =4800b/s
模拟数据编码为数字信号（2级重点）
1. 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)
2. 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM) ，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。
  1. 编码:把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
  2. .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换为离散的数字量。
  3. 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的模拟数据，要使用采样定理进行采样: f采样频率≥2f信号最高频率
模拟数据调制为模拟信号
1. 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技术，充分利用带宽
  资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式;模拟的声音数据是加
  载到模拟的载波信号中传输的。

数据交换方式

为什么要数据交换?

①电路交换(适用数字信号和模拟信号)

电路交换的原理:在数据传输期间,源节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。

建立连接阶段

释放连接阶段

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

电路交换的优缺点:

②报文交换(只适用数字信号)

报文是什么?

报文(message)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方式

报文交换的优缺点

③分组交换(目前最常用的)

为什么分组?

大多数计算机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(packet) 。
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(Byte)。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

③①数据报方式

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。
1. 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达到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。

③②虚电路方式：将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点

虚电路:- 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，每一项记录了一一个打开的虚电路的信息。

虚电路方式的特点

虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
1. 连接服务: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。
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

数据报&虚电路

传输介质&设备

传输介质及分类

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

传输媒体不是物理层。传输媒体在物理层下面，因为物理层时体系结构的第一层，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。

物理层是傻瓜的话，传输媒体连傻瓜都不如

① 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律并排绞合的、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。

为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一一个由金属丝编织成的屏敝层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏敝层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP) 。

为什么进行双绞线？

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号;对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

②导向性传输介质——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。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类: 500同轴电缆和75Q同轴电缆。其中，50Q同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用: 75Q同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

③导向性传输介质——光纤

光纤通信就是利用光导纤维( 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。而可见光的频率大约是 $\huge 10^{8}$ MHz，因此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。
光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
光纤主要由纤芯(实心的! )和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。