文章目录

• 通信基础
• • 基本概念
  • • **相关术语**
    • 两种数据传输方式
    • 三种通信信道
    • 两种通信方式
  • 奈奎斯特定理与香农定理
  • 编码与调制
• 数据传输的三种交换方式
• • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换
• 数据包与虚电路（分组交换的两种应用方式）
• • 虚电路
  • 数据报
• 传输介质
• • 导向性传输介质
  • 非导向性传输介质
  • 物理层接口特性
• 物理层设备
• • 中继器 Repeater
  • 放大器 amplifier
  • 集线器 Hub
  • 调制解调器 Modem
  • 复用器 multiplexer & 分用器 demultiplexer

通信基础

基本概念

相关术语

• 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

• 信号

  • 数字信号：离散变化

  • 模拟信号：连续变化

• 码元

  • 用一个固定时长的信号波形，代表不同的离散数值
  • 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）

• 信源：产生和发送数据的源头。

• 信宿：接收数据的终点。

• 信道：信号的传输媒介

  • 传输信号：模拟信号，数字信号

  • 传输介质：有线信道，无线信道

• 波特率：若一个码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒

• 调制

  • 基带调制/编码

    • 把数字信号转换为另一种形式的数字信号

  • 带通调制

    • 把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号

• 传输

  • 基带传输

    • 基带信号就是未经过调制的原始电信号
    • 可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源）

  • 频带传输

    • 频带信号就是调制过的信号，也就是射频信号，带通信号
    • 便于远距离传输。（远距离衰减大，将信号调制到较高频段，经过衰减仍能得到原始信号）

  • 宽带传输

    • 宽带信号就是频分复用的频带信号
    • 将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）

• 相位

  • 相位是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度
  • 举个例子，正弦函数里有这么几个点，sin(π/6)，sin(π+π/6)、sin(2π+π/6)。(π/6)、(π+π/6)、(2π+π/6)被称为相位，怎么理解？相对位置，即相对于正弦波而言，特定时刻它的位置

两种数据传输方式

• 串行传输

  • 速度慢，费用低，适合远距离

    • 在计算机组成原理“总线”一节中，由于并行传输存在相互干扰，串行总线可以不断提高频率，最终速度超过并行总线，我认为在这里也是合适的，串行传输的理论速率是可以比并行传输高的（但可能更难实现）

  • 仅受香农定理的理论极限值

• 并行传输

  • 速度快，费用高，适合近距离
  • 并行传输频率较高时，会互相干扰，造成失真，不适合长距离传输

三种通信信道

• 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

  • 通信的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，需要两条信道

• 全双工通信

  • 通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

两种通信方式

• 同步通信

  • 同步通信的通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率

    • 简单说就是发送方的发送有一定规则

• 异步通信

  • 异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，接收端必须时刻做好接收的准备，每个字符加上开始位和停止位

    • 简单说就是发送方可以随时发送

  • 通信设备简单，实现容易，但效率较低（标志位）

奈奎斯特定理与香农定理

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。

如果题目即给了 带宽、信号位数、信噪比，那么就需要使用奈氏准则（假设无噪声）和香农定理，取两个的较小值。

码间串扰

奈奎斯特定理（内忧）

• 理想低通信道下（无噪声，带宽受限）的极限数据传输率
• 2 W log ⁡ 2 V 2 W \log _{2} V 2Wlog2​V

香农定理（外患）

• 信道极限数据传输速率
• C = W log ⁡ 2 ( 1 + S N ) C=W \log _{2}\left(1+\frac{S}{N}\right) C=Wlog2​(1+NS​)

编码与调制

编码：数据->数字信号

调制：数据->模拟信号

数据传输的三种交换方式

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（双方独占）的物理通信路径。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。因此，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

  • 通信/传输时延小（一般用于电话）
  • 有序传输
  • 实时性强

• 缺点

  • 建立连接时间长

  • 线路独占，使用效率低

    • 可以通过多路复用技术让多个用户同时使用一个线路，但是被占用的那个频带（以频分复用为例）别人依然是无法使用的

  • 无差错控制能力

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。

• 缺点

  • 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
  • 中间结点存储转发时延较长且不固定，因此不能用于实时通信（如语音、视频传输）

分组交换

分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上些必要的控制信息

• 优点

  • 无需事先建立连接

  • 线路可靠性较高

  • 相对于报文交换，存储管理更容易，数据传输时间更短（王道 P45,38题）

    报文交换 必须整个报文全部接收完后，再进行转发

• 缺点

  • 需要传输额外的信息量
  • 乱序到目的主机时，要对分组排序重组

数据包与虚电路（分组交换的两种应用方式）

• 面向连接与无连接服务

  • 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。

  • 连接服务

    • 事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。

• 数据报与虚电路，是网络层提供的两种服务，都是基于分组交换技术

虚电路

• 在通信之前建立一条逻辑上相连的虚电路

• 面向连接，可靠的服务，保证数据的可靠性和有序性

• 路由选择只在建立连接阶段

  • 仅在建立连接阶段需要使用目的地址

  • 每个分组携带虚电路号，而非目的地址

    • 虚电路号标识了到达目标主机的传输路径

• 使用多路复用技术，每条物理线路上可以建立多条逻辑连接

  • 电路交换是真正的物理线路，only one

• 虚电路中的某个结点出现故障，所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作

数据报

• 无连接不可靠服务

  • 不保证分组的有序到达
  • 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

• 每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同

• 对故障适应能力强

传输介质

传输媒体是物理层吗？

• 传输媒体不是物理层，但物理层规定了传输媒体的一系列特性（上面四个），物理层考虑的是如何在传输媒体上实现比特流的透明传输
• 传输媒体并不知道所传输的电信号代表什么意思，但物理层能够识别所传送的比特流
• 有时称传输媒体为0层

导向性传输介质

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，要用相应设备再生衰减的信号。

• 为什么绞合？

  • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

    根据右手准则，这两个绞合在一起的铜线，它们的电流是相反的，产生的电磁波大小相等，方向相反，则可以相互抵消，不影响相邻导线

• 非屏蔽双绞线 UTP

• 屏蔽双绞线 STP

  • 进一步提高抗电磁干扰能力

同轴电缆

• 基带同轴电缆

  • 50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，在局域网中得到广泛应用

• 宽带同轴电缆

  • 75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，它主要用于有线电视系统

• 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵

光纤

• 与前两种存在本质上的区别，前面两种传递的都是电信号，光纤中传递的是“光脉冲”（所以需要在发送和接收端做光电转换）

• 单模光纤

  • 一种在横向模式直接传输光信号的光纤
  • 定向性很好的激光二极管
  • 衰耗小，适合远距离传输

• 多模光纤

  • 发光二极管
  • 易失真，适合近距离传输

• 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

非导向性传输介质

无线电波

电磁波 的一种。频率大约 为 10KHz～30，000，000KHz，或波长30000m～10μm的电磁波

• 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。
• 信号向所有方向传播
• 现在的无线局域网就使用其中的2.4GHZ和5.8GHZ 频段

微波

频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称

• 微波通信频率高、频段范围宽，数据率高

• 微波信号沿直线传播，所以在地面距离稍长，就需要微波接力通信

• 主要用于卫星通信

• 通信容量大，通信覆盖广、距离远（三颗地球同步卫星就能覆盖地球）

• 传播时延长（250-270ms），受气候影响大（eg：强风太阳黑子爆发、日凌）

红外线、激光

• 信号固定方向传播
• 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

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。

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。

过程(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。

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。

物理层设备

中继器 Repeater

扩展网络距离，将衰减的数字信号经过再生放大（再生放大，而非简单放大）

• 使用中继器相联的主机属于同一冲突域，共享带宽

• 中继器两端可以连接不同传输媒体（物理链路）

• 中继器不具有存储转发功能，所以中继器不能连接两个速率不同的网段。（百科上写的不对）

  如果一个存储转发设备实现了某个层次的功能，那么它就可以互联两个在该层次上使用不同协议的网段（网络）。如网桥实现了物理层和数据链路层，那么网桥可以互联两个物理层和数据链路层不同的网段；但中继器实现了物理层后，却不能互联两个物理层不同的网段，这是因为中继器不是存储转发设备，它属于直通式设备。

• 互相串联的中继器不能超过4个，且遵循“5-4-3”原则

放大器 amplifier

• 中继器再生数字信号，相应的对于模拟信号传输，使用放大器（amplifier）放大衰减的信号

集线器 Hub

又叫多端口转发器，实质上是一个多端口中继器，也是对接收到的信号进行再生整形放大（重点是再生），从除输入端口外的把所有端口广播出去

• 半双工通信

• 共享带宽

• 物理上星型，逻辑上总线（一般只说拓扑结构指的是物理结构）

调制解调器 Modem

俗称“猫”，计算机内的信息是由“0”和“1”组成数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号。于是，当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换。

复用器 multiplexer & 分用器 demultiplexer

在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道（多路复用）。分用器的作用正好和复用器相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户

标签：物理层,中继器,通信,计算机网络,传输,分组,信号
来源： https://blog.csdn.net/caozicheng1999/article/details/111751463