物理层学习笔记

计网的第二章物理层的思维导图，涵盖了通信基础的基本概念、编码与调制、电路交换、报文交换与分组交换、数据报与虚电路、传输介质、物理层设备等。

第二章 物理层

• 通信基础
  • 基本概念
    • 数据、信号与码元
      • 数据：传送信息的实体
      • 信号:数据的电气或电磁表现，数据在传输过程中的存在形式。
      • 模拟数据（模拟信号）：连续变化的数据或信号
      • 数字数据（数字信号）：取值为允许有限的几个离散数值的数据或信号
      • 码元:用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字，该时长成为码元宽度。
    • 信源、信道与信宿
      • 信源:产生和发送数据的源头
      • 信道
        • 信号传输的媒介
        • 发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成合适的信号后在信道上传输到信宿
        • 噪声源是指信道上的噪声（对信号的干扰），及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示
      • 信宿:接收数据的终点，通常都是计算机或其他数字终端装置。
      • 一个通信系统的组成部分
      • 通信的基本方式
        • 单向通信：只有一个方向的通信，没有反方向的交互（无线电广播、电视广播）
        • 半双工通信：通信双方都可以发送或接收信息，但是任何一方不能同时发送和接收信息
        • 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息
    • 速率、波特与带宽
      • 速率（数据率）:单位时间内传输的数据量
        • 码元传输速率（波特率）：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud），它与进制数无关。
        • 信息传输速率（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），单位是比特每秒（b/s）
      • 带宽:网络的通信线路所能传送数据的能力，单位是比特每秒（bit/s）
  • 奈奎斯特定理与香农定理
    • 奈奎斯特定理（奈氏准则）
      • 理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，极限码元传输速率为2W波特（W是理想低通信道的带宽，单位HZ）
      • 公式:Cmax=f采样×log2N=2f×log2N（bit/s） 注:f表示理想低通无噪声信道的带宽，N表示每个码元离散电平的数目。
      • 理想低通信道下极限数据传输速率=2Wlog2V（单位为b/s）
      • 结论
        • 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。
        • 信道的频带越宽（通过的信号高频越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。
        • 给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制。
    • 香农定理
      • 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率
      • 信道极限传输速率=Wlog2（1+S/N） （单位为b/s）
        • 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为信号的平均功率和噪声的平均功率之比
      • 信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比（记为S/N），信噪比=10log10（S/N）（dB）
      • 香农公式:Cmax=W×log2（1+S/N）（bit/s），注:想要提高最大数据传输速率，就应设法提高传输线路的带宽或提高所传信号的信噪比。
      • 结论
        • 信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
        • 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
        • 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传输。
        • 实际的信道传输速率要比极限速率低不少。
  • 编码与调制
    • 概念
      • 调制：数据变换为模拟信号的过程
      • 编码：数据变为数字信号的过程
    • 数字数据编码为数字信号
      • 数字数据编码用于基带传输中，在不改变数字信号频率的情况下，直接传输数字信号
      • 非归零编码
        • 用两个电压来代表两个二进制数字，低电平为0，高电平为1
        • 优点：容易实现
        • 缺点：无法使得双方同步，没有检错功能
      • 曼彻斯特编码（以太网用的）
        • 将一个码元分为两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，码元0表示刚好相反
        • 优点：可以进行双方的同步
        • 缺点：占用的频带宽度是原始基带宽度的两倍
      • 差分曼彻斯特编码
        • 若码元为1，前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若码元为0，刚好相反
        • 优点：可以实现自同步，抗干扰性好
        • 主要用于局域网传输
      • 4B/5B编码
        • 将发送的数据流每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换为相应的5位码
        • 5位码共有32种组合，但是只是用其中的16种对应16种不同的4位码，其它16位作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留
    • 数字数据调制为模拟信号
      • 幅移键控（ASK）
        • 通过改变载波信号的振幅来表示数字1和0，而载波的频率和相位都不改变
        • 比较容易实现，抗干扰能力强
      • 频移键控（FSK）
        • 通过改变载波信号的频率来表示数字1和0，而载波的振幅和相位都不改变
        • 容易实现，抗干扰能力强，应用较为广泛
      • 相移键控（PSK）
        • 通过改变载波信号的相位来表示数字1和0，而不改变载波的振幅和频率
        • 分为绝对调相和相对调相
      • 正交振幅调制（QAM）
        • 频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号
        • 设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，该QAM技术的传输速率R=Blog2（mn）
    • 模拟数据编码为数字信号
      • 采样
        • 对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
        • 采样频率大于等于原始信号的最大频率的两倍
      • 量化
        • 把采样取得的电平幅值按照一定的分级标准转化为对应的数字值并取整数
        • 这样就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
        • 采样和量化的实质就是分割和转换
      • 编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码
    • 模拟数据调制为模拟信号
      • 需要较高的频率
      • 使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源
      • 电话局和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式
      • 模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的
  • 电路交换、报文交换与分组交换
    • 电路交换
      • 数据传输前，先建立一条专用的（双方独占）物理通信路径
      • 直通方式传输数据
      • 电路交换技术的三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放
      • 优点
        • 通信时延小：通信线路双方专用，数据直达，时延非常小
        • 有序传输：双方通信时按发送顺序传输数据，不存在失序问题
        • 没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的现象
        • 适用范围广：既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号
        • 实时性强：双方的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信
        • 控制简单：交换设备及控制均较简单
      • 缺点
        • 建立时间长：平均连接建立时间对计算机通信来说太长
        • 线路独占：使用效率较低，只能供通信双方使用
        • 灵活性差：只要通信双方的任何一点出现故障，就必须重新建立连接
        • 难以规格化：数据的不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制
    • 报文交换（存储转发方式）
      • 数据交换的单位是报文，报文携带有目的地址、源地址等信息
      • 报文交换的时候使用存储转发的传输方式
      • 优点
        • 无需建立连接：不需要建立专用线路，不存在连接时延，用户可以随时发送报文
        • 动态分配线路：当发送方将报文交给交换设备时，交换设备先储存整个设备，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
        • 提高线路可靠性：如果某条传输路径发生故障，那么可以重新选择另一条路径传输数据
        • 提高线路利用率：通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道
        • 提供多目标服务：一个报文可以发送给多个目的地址
      • 缺点
        • 数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引发转发时延
          • 包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等
        • 报文交换对报文大小没有限制，所以网络结点要有较大的缓存空间
      • 现在已经很少使用，多使用分组交换方式代替
    • 分组交换（存储转发方式）
      • 采用存储转发方式，限制了每次传送数据块的大小上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（源地址、目的地址、编号信息等），构成分组
      • 网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点收到分组后暂时保存并排队等待传输，根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到目的结点
      • 优点
        • 没有建立时延：不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立时延，用户可随时发送分组
        • 线路利用率高：通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路
        • 简化了存储管理（相对于报文交换）：因为分组的长度固定，相应的缓冲区大小也固定，在交换结点中的存储器管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易
        • 加速传输
          • 分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线方式减少了报文的传输时间
          • 传输一个分组所需的缓冲区比传输一次报文所需的缓冲区小，这样因缓冲区不足而等待发送的概率和时间也会少
        • 减少出错概率和重发数据量：分组较短，出错概率减小，重发的数据量也就减小，提高了可靠性，也减少了传输时延
      • 缺点
        • 存在传输时延
        • 需要额外的信息量：每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息
        • 当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或者重复分组，到达目的地后要对分组进行排序工作
  • 数据报与虚电路
    • 数据报特点
      • 发送分组前不需要建立连接，发送方可随时发送分组
      • 网络进最大努力交付，传输不保证可靠性
      • 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立运输
      • 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，会带来一定的时延
      • 对故障的适应能力强
      • 存储转发的时延一般比较小，提高了网络的吞吐量
      • 收发双方不独占某条链路，资源利用率较高
    • 虚电路服务
      • 必须建立连接
      • 三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放
      • 特点
        • 对长时间、频繁的数据交换效率较高
        • 虚电路的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到达。
        • 当网络中某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。
        • 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对数据报方式，开销小。
  • 传输分类
    • 串行传输和并行传输
      • 串行传输
        • 将表示一个字符的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
        • 将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送
        • 用于计算机内部数据传输
        • 速度快、费用高、适合近距离
    • 同步传输和异步传输
      • 同步传输
        • 在同步传输的模式下，数据的传送是以数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输
        • 在传输数据时，需要先送出一个或多个同步字符，再送出整批的数据
      • 异步传输
        • 异步传输将比特分成小组进行传输，小组可以是8位的一个字符或更长，发送方可以任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达
        • 传输数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位
• 传输介质
  • 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
    • 双绞线
      • 简介
        • 最常用的古老传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的相互绝缘的铜导线组成
        • 绞合可以减少对想零导线的电磁干扰
        • 屏蔽双绞线（STP）：在双绞线的外面加上一个由金属丝编织成的屏蔽层
        • 非屏蔽双绞线（UTP）：无屏蔽层
      • 优点：价格便宜、适用范围广
      • 使用范围
        • 局域网、传统电话网
        • 模拟传输和数字传输
      • 传输距离：几千米到几十千米
      • 距离过大
        • 模拟传输使放大器衰减的信号
        • 数字传输使用中继器将失真的信号整形
    • 同轴电缆
      • 由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成
      • 50Ω同轴电缆：主要传输基带数字信号
      • 75Ω同轴电缆
        • 主要传送宽带信号
        • 主要用于有线电视系统
      • 优点
        • 良好的抗干扰特性
        • 广泛用于传输较高速率的数据
        • 传输距离更广
      • 缺点：价格相对于双绞线贵
    • 光纤
      • 利用光导纤维传递光脉冲
      • 利用光的全反射原理在光纤中不断的传输
      • 多模光纤：从不同角度入射的多数光线在一条光线中传输
      • 单模光纤：光线的直径减小到仅一个光波长度时，光纤就像一根波导那样，可是光线一直向前传播，而不会产生多次反射
      • 优点
        • 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
    • 无线传输介质
      • 无线电波
        • 无线电波具有较强的穿透力，可以传输很长的距离，所以它被广泛应用于通信领域
        • 无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，就可以与无线电波发射者进行通信连接，简化了通信连接
      • 微波、红外线和激光
        • 相同点：需要发送方和接收方之间存在一条视线通路，由很强的方向性，都沿直线传播，有时统称这三者为视线介质
        • 不同点
          • 红外通信和激光通信要把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，再直接在空中传播
          • 微波通信的频率高，频段范围宽，载波频道通常为2~40GHZ，因而通信信道的容量大
          • 微波通信的信号是沿直线传播的，因此在地面传播的距离有限，超过一定距离后就要使用中继站来接力
      • 卫星通信
        • 卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制
        • 优点：容量大、距离远、覆盖广
        • 缺点：保密性差、端到端传播时延长
  • 物理层接口的特性
    • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
    • 电气特性：指明接口在电缆的各条线上出现的电压范围
    • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
    • 过程特性（规程特性）：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序
    • 常用接口标准：EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH
• 物理层设备
  • 中继器
    • 功能：将数字信号整形并放大再转发出去，消除信号的失真和衰减
    • 原理：信号再生
    • 优点：局域网环境下扩大网络规模最简单、最廉价的互联设备
    • 缺点
      • 不能够连接具有两个不同速率的局域网
      • 中继器出现故障，相邻的两个网段都会产生影响
    • 限制
      • 5-4-3规则：互相串联的中继器个数不能超过4个，4个中继器串联的5段通信介质只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段
    • 与放大器对比
      • 放大器放大的是模拟信号
      • 原理是将衰减信号放大而不是再生
  • 集线器（Hub）
    • 功能
      • 实质是一个多端口的中继器，也可以对信号进行整形再生
      • 收到信号后，就将信号从其它端口发出
      • 如果多端口输入，输出时就会发生冲突，数据都无效
    • 优点：扩大网络的传输范围
    • 缺点
      • 不具有定向传送能力
      • 只能工作在半双工状态下
      • Hub每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段
      • 不能分割冲突域
      • 多台主机同时交互时，会使其工作效率降低