【王道·计算机网络】第二章物理层-Toy模板网

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【王道·计算机网络】第二章物理层

一、通信基础

1. 基本概念

1.1 物理层接口特性

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，不指定具体的传输媒体
主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 → 定义标准
接口特性：
1. 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。
2. 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。（eg.电平使用具体数值表示的二进制位）
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部位的信号线的用途。（eg.引脚处于高电平时的含义）
4. 规程(过程)特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

1.2 典型的数据通信模型

【王道·计算机网络】第二章物理层

1.3 相关术语

通信的目的：传送消息(语音、文字、图像、视频等)。
数据通信：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data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
1. 数字/离散信号：消息的参数的取值是离散的
2. 模拟/连续信号：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：信号的传输媒介，一般表示向某一个方向传送信息的介质
1. 一条通信连路包含：1个发送信道+1个接收信道
2. 按传输信号分：模拟信道、数字信道
3. 按传输介质分：无线信道、有线信道

1.4. 设计数据通信需要考虑的问题

三种数据通信方式

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。eg.广播
半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。eg.对讲机
全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。eg.电话

两种传输方式

串行传输：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：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

实现同步的传输/通信方式

同步/区块传输：以一个数据区块block为单位，同步时钟。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：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。发送发可以在任何时刻发送这些比特组，接收方不知道他们会在什么时候到达，传送时，需加一个字符起始位和一个字符终止位。

1.5 数据传输速率术语

码元：用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)代表不同离散数值的基本波形，这个时长内的信号成为k进制码元，该时长称为码元宽度。k进制码元——离散状态k个——不同的信号波形表示位log₂K
速率/数据率：数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。
1. 码元传输速率，码元速率，波形速率，调制速率，符号速率：表示单位时间内数字通信系统所传输码元个数（脉冲个数/信号变化的次数），单位B/Baud；码元速率与进制无关，只与码元长度T有关
2. 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，即比特数，单位比特/秒(b/s)
3. 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：设备每秒钟发生信号变化的度量，表示每秒钟内通信线路状态改变的次数。代表信号的变化，而不是传输数据的多少
带宽Bandwidth：
1. 模拟信号系统中：最高频率和最低频率的差值，单位赫兹Hz
2. 数字设备：单位时间内通过链路的数量，表示网络通信线路所能传输的能力，单位比特每秒bps，bit/s

2. 两个公式

2.1 奈氏准则(奈奎斯特定理)

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
失真的一种现象：码间串扰
1. 信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差
2. 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
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，单位是Hz
1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的
2. 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可用更高的速率进行码元的有效传输
3. 奈氏准则给出码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制
4. 要提高数据的传输速率，需使每个码元携带更多个比特的信息量，即采用多元制的调制方法
理想低通信道下的极限数据传输率 = 2 W log₂V (b/s)

2.2 香农定理

信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率，记为S/N（比值，无单位），并用分贝dB作为度量单位
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
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、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. 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要低不少
5. 若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，则信道的极限信息传输速率也没有上限

2.3 公式比较

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3. 编码与调制

3.1 基带信号与宽带信号

信道：信号的传输媒介，表示向某一个方向传送信息的介质，包含1条发送信道 + 1条接收信道
1. 传输信号：模拟信道(传送模拟信号)，数字信道(传送数字信号)
2. 传输介质：无线信道，有限信道
信道上传送的信号
1. 基带信号：来自信源的信号，发出的直接表达了要传输信息的信号；将数字信号1、0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）
2. 宽带信号：把基带信号经过载波调制后，将信号频率范围搬移到更高的频段以便传输；将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再送到模拟信道上去传输（宽带传输）
近距离：基带传输(信号不易变化)；远距离：宽带传输(过滤出基带信号)

3.2 编码与调制

数据 → 数字信号【编码】
数据 → 模拟信号【调制】

3.3 数字数据编码为数字信号

非归零编码NRZ：高1低0
· 优点：编码易实现
· 缺点：没有检错功能；无法判断一个码元的开始和结束，以至收发双发难以保持同步
曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，规定：前高后低为1、前低后高为0(反之亦可)
· 优点：位中间的跳变既作时钟信号(用于同步)，又作数据信号
· 缺点：所占的频带宽度是原始的基带宽度的2倍
· 数据传输速率(1s传输的脉冲个数为两个：开头+中间)只有调制速率的½
差分曼彻斯特编码：同1异0，常用于局域网传输
· 优点：自同步，抗干扰性强于曼彻斯特编码
归零编码RZ：信号电平在一个码元内恢复到零
· 缺点：处于低电平位的码元多时，信道浪费
反向不归零编码NRZI：信号电平翻转为0，不变为1
· 缺点：全1数据同NRZ
4B/5B编码：比特流中打破一系列的0/1，即用5个比特来编码4个比特的数据，再传给接收方；编码效率为80%

3.4 数字数据编码为模拟信号

数字数据调制技术：
在发送端将数字信号转换为模拟信号（调制解调器的调制）
在接收端将模拟信号还原为数字信号（调制解调器的解调）
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3.5 模拟数据编码为数字信号

音频数字化：将模拟音频通过采样、量化转化成有限个数字表示的离散序列，以方便计算机内部处理二进制数据（数字音频）
脉码调制PCM：能够达到的最高保真水平，步骤：抽样、量化、编码
1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。采样定理：f_采样频率 ≥ 2 f_{信号最高频率}
2. 量化：把抽样后的电平幅值按一定分级标度转化为对应的数字值并取整，即将连续的电平幅值转换为离散的数字量
3. 编码：量化结果转换为与之对应的二进制编码

3.6 模拟数据编码为模拟信号

目的：实现传输的有效性
方式：频分复用技术，以充分利用带宽
电话机、本地交换机使用模拟信号传输模拟数据，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输

4. 数据交换方式

交换是通过某些交换中心将数据进行集中和传送
交换设备：传输线路为各个用户共用，从而大大节省通信线路，降低系统费用

4.1 电路/线路交换Circuit Exchanging

原理：传输期间，源结点与目的结点间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束前，线路一直保持
阶段：建立连接(呼叫/电路建立) → 通信(数据传输) → 释放连接(拆除电路)
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大的大量数据传输
优点：
1. 传输时延小
2. 数据顺序传送，无失序
3. 实时性强，适用于交换式会话类通信
4. 全双工通信，通信双方各有信道，没有冲突
5. 适用于模拟信号和数字信号
6. 控制简单，电路的交换设备及控制较简单
缺点：
1. 建立连接时间长
2. 线路独占，信道使用效率低
3. 灵活性差，双方连接通路中有任何一点出了故障，必须重新拨号建立连接，不适应突发性通信
4. 无数据存储能力，难以平滑通信量
5. 电路交换时数据直达，不同类型、规格、速率的终端很难相互进行通信
6. 无法发现与纠正传输差错，通信过程中差错控制难

4.2 报文交换Message Exchanging

报文message：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。包含了将要发送的完整的数据信息，长度不限且可变。
原理：存储转发，无需在两个站点间建立专用通路，数据传输单位是报文
阶段：报文(目的+地址)
1. 每个节点收下整个报文后，暂存报文并检查
2. 需要输出的电路空闲时，利用路由找到并传送给下一个节点
特点：不占用信道
优点：
1. 可随时发送报文，无需建立连接，无连接时延
2. 动态分配线路，平滑通信量
3. 提高线路可靠性，某条传输路径故障可重新选择
4. 提高线路利用率，多个报文可共享信道
5. 提供多目标服务，一个报文可同时发往多个目的地址
6. 存储转发易实现代码转换和速率匹配，收发双发可以不同时处于可用状态，便于类型、规格、速度不同的计算机间通信
缺点：
1. 实时性差，存储转发会引起转发时延，不适合传送实时或交互式业务数据
2. 只适用于数字信号
3. 报文长度不限，需要网络中每个结点有较大的缓冲区；若存储在磁盘上，则进一步增加传送时延

4.3 分组交换Packet Exchanging

分组packet：实际上网络系统将数据分割成小块，逐块(分组)发送
原理：存储转发，限制所传输的数据单位的长度
阶段：报文接收存储 → 按一定长度分组 → 以分组为单位传输交换 → 接受结点将分组组装成信息或报文
优点：
1. 无建立时延，无需专用通信线路，用户可随时发送分组
2. 线路利用率高，多个分组可共享信道
3. 简化存储管理，缓冲区大小固定
4. 加速传输，存储与转发可并行操作，减少等待发送时间
5. 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延
6. 分组短小，适合计算机之间突发式数据通信
缺点：
1. 存在转发时延，结点交换机必须具有更强的处理能力
2. 每个分组增加控制信息，降低了通信效率、增加处理时间
3. 分组交换可能出现失序(虚电路，增加：呼叫建立、数据传输、虚电路释放)、丢失或重复分组，目的节点需重新排序

4.3.1 数据报方式

【王道·计算机网络】第二章物理层

数据报方式为网络层提供无连接服务(不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定，不同分组的传输路径可能不同)
同一报文的不同分组到达目的结点是可能发生乱序、重复与丢失(重新排序)
每个分组在传输时，需排队等候，会出现时延，交换结点还可能根据情况丢弃部分分组(重发)
网络具有冗余路径，对故障适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信

4.3.2 虚电路方式

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虚电路方式为网络层提供连接服务(首先为分组的传输确定传输路径，然后沿此传输系列分组，最后拆除连接)，源节点与目的结点间建立的是逻辑连接，非实际物理连接
所有分组通过虚电路顺序传送，无需携带源地址、目的地址等；包含虚电路号，相对开销小，不会乱序、重复或丢失
虚电路上的每个节点，只差错监测，不进行路由选择
虚电路支持特定的两个端系统间数据传输，可对两个数据端点的流量进行控制；两个端系统可有多条虚电路服务不同的进程
致命弱点：网络中某个结点或某条链路出现故障而失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

4.3.3 数据报 & 虚电路

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4.4 数据交换方式的选择

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二、传输介质 & 设备

1. 传输介质/传输媒体/传输媒介

传输介质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，在物理层的下面(不是物理层)，称为第0层。

1.1 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播

双绞线：古老、最常用的传输介质，由两根采用一定规则并排绞合(减少对相邻导线的电磁干扰)的、相互绝缘的铜导线组成(传输电脉冲)
1. 分类：屏蔽双绞线STP、非屏蔽双绞线UTP
2. 特点：价格便宜，应用于局域网和传统电话网
3. 模拟传输要用放大器方法衰减信号；数字传输用中继器将失真信号整形
同轴电缆：由导体铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层、塑料外层构成(传输电脉冲)
1. 分类：50Ω同轴电缆(传送基带数字信号，称基带同轴电缆，应用于局域网)、75Ω同轴电缆(传送宽度信号，称宽带同轴电缆，应用于有线电视系统)
2. 特点：同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，价格更贵；广泛用于传输较高速率的数据
光纤：利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，有光脉冲为1无0；光纤主要有实现的纤芯和包层构成
1. 特点：传输损耗小，中继距离长，对远距离传输经济；抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据；体积小，重量轻
2. 发送端：用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲作用下产生光脉冲
3. 接收端：用光电二极管做成光检测器，检测到光脉冲时还原出电脉冲
4. 分类：多模光纤、单模光纤

1.2 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等

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2. 物理层设备

2.1 中继器

诞生原因：由于线路上传输的信号功率逐渐衰减，到一定程度将造成信号失真，导致接受错误
功能：对信号进行再生和还原，即再生数字信号(放大衰减的信号，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)
中继器的两端
1. 两端的网络部分是网段，不识字网，适用于完全相同的两类网络的互联，且两个网段速率要相同
2. 只将任何电缆段上的数据发送到另一端电缆上，仅作用于信号的电气部分，不管数据中是否有错误或不适于网段的数据
3. 两端可连相同媒体，也可连不通过媒体
4. 两端的网段一定要是同一个协议(中继器不会存储转发)
5-4-3规则（5个网段，4个物理层网络设备，3个段可挂接工作站）：网络标准中规定了信号的延迟范围，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障