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《计网》第二章-物理层
这是一篇关于《计网》第二章-物理层的思维导图，包括：通信基础、传输介质、物理层设备三部分。
编辑于2022-07-05 15:56:41- 相似推荐
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物理层
通信基础
基本概念
传输单位
数据
指传送信息的实体
信息
数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式
分类
随时间变化
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值的数据（或信号）
数据传输方式
串行传输：每个比特按时间顺序传输（远距离通信通常采用串行传输），距离长、速度慢
数据在通信线路上的传输方式
并行传输：若干比特通过多条通信信道同时传输，距离短、速度快
计算机内部的数据传输
数据通信方式
同步
异步
码元
用一个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，是数字通信中数字信号的计量单位
该时长内的信号称为k进制码元
该时长称为码元宽度
数字通信：数字计算机或其他数字终端之间的通信
信源：产生和发送数据的源头
发送器
调制器
接收器
解调器
信宿：接收数据的终点
信道：信号的传输媒介，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
分类
传输信号形式
数字信道
基带传输：将数字信号1和0之间用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输
1. 基带传输 在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是典型的矩形电脉冲信号，其频谱包括直流、低频和高频等多种成份。 在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。 由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。 在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。 2. 频带传输 远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。 频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。 3. 宽带传输 借助频带传输，可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，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道能同时互不干扰地发送信号，链路容量大大增加。 计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。 基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。 4. 计算机网络中信号的传输方式 在局域网中绝大多数情况下都使用基带信号。 在LAN中，频带指的是数字信号的模拟传输，基带指的是数字信号的数字传输。
模拟信道
宽带传输：将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输
传输介质
无线信道
有线信道
交互方式
单向通信
只有一个方向的通信，仅需一条信道
半双工通信
通信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信息，需两条信道
全双工信道
通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道
性能指标
速率：数据率，指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据率
表示方式
码元传输速率（波特率、调制速率）
表示信号每秒变化的次数
单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化的次数）
一个码元若取2^n个不同的离散值，则含有n比特的信息量
单位：波特
1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元
若一个码元携带n比特的信息量，则 M 波特率=M×n 比特率
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）
带宽
信号具有的频带宽度，表示单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
单位：b/s
定理
奈奎斯特定理
为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特
W是理想低通信道的带宽，V表示每个码元离散电平的数目，即有多少不同的码元
奈氏准则限制了码元传输速率，但并未对信息传输速率做限制
为了提高数据传输速率，可以设法使每个码元携带更多比特的信息量
香农定理
W为信道带宽，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
信道复用技术
频分复用
所有用户在同样的时间占有不同的带宽资源（频率带宽）
时分复用（同步时分复用）
所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
统计时分复用STDM（异步时分复用）
使用STDM帧来传送复用的数据，按需动态地分配时隙
波分复用WDM
即光的频分复用
码分复用CDM（码分多址CDMA）
定义：用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号
使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列，比特1对应m bit码片序列；比特0对应该码片序列的二进制反码，S站发送的数据率和占用的频带宽度都将提高至原来的m倍；各站的扩频信号叠加发送
接收站将接收到的未知信号与码片向量S进行求内积运算，结果为1表示S站发送比特1，结果为-1表示比特0
编码与调制
编码
把数据变换为数字信号的过程
数字数据→数字信号
归零编码（RZ）
用高电平表示1，低电平表示0（或者相反），每个时钟周期的中间均归零，接收方根据该跳变调整时钟基准，以此实现自同步机制
非归零编码（NRZ）
不用归零，一个周期可以全部用来传输数据，因此难以同步；若想传输告诉同步数据，需带有时钟线
反向非归零编码（NRZI）
用信号的翻转代表0，信号保持不变代表1
既能传输时钟信息，又能尽量不损失系统带宽
曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后者为低电平表示码元1，码元0则相反
位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号；但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍
以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码
10BaseT表示10Mb/s的以太网
差分曼彻斯特编码
若码元为1，则前半个码元的电平与上个码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则相反
可以实现自同步，且抗干扰性较好
模拟数据→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
采样定理
只有采样频率f'≥信号最大频率f（带宽）的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
题目中，采样频率往往是带宽的两倍
量化
把采用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
编码
把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
典例：用于音频信号的脉冲编码调制（PCM）
调制
把数据变换为模拟信号的过程
数字数据→模拟信号
辐移键控（ASK）
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变
容易实现，但抗干扰能力差
频移键控（FSK）
通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变
容易实现，且抗干扰能力较强
相移键控（PSK）
通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变
绝对调相
相对调相
正交振幅调制（QAM）
在频率相同的情况下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号
波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅
模拟数据→模拟信号
频分复用（FDM）技术
交换
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（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)，该路径可能经过许多中间结点。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
阶段
连接建立
数据传输
连接释放
优点
通信时延小
有序传输
没有冲突
适用范围广
适用于模拟信号的数字信号
实时性强
控制简单
缺点
建立连接时间长
线路独占，信道利用率低
灵活性差
难以规格化，难以进行差错控制
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
优点
无需建立连接
动态分配线路
提高线路可靠性
提高线路利用率
提供多目标服务
缺点
存在转发时延
对报文大小没有限制，需要网络结点有较大的缓存空间
分组交换
 解答： 1. 一个分组大小是 1000B，分组头为 20B，所有一个分组中实际有效的信息是 980B。 2. 因为一共发送的有效信息是 980000B ，所以 980000B / 980B = 1000 个分组，所以一共发送的总的信息是 1000 个分组*1000 B = 1MB 3. 由传输时延公式可得发送端传输时延，1M*8b / 1000Mbps = 80ms（注意 *8 是因为存在 B 和 b 的单位转换） 4. 由于还要经过两个中间结点，即从时间上看，当 H1 发送完所有的数据后，还有 2 个分组没有到达，其中最后一个分组此时刚刚发出去，还要经过两个结点转发，也就是需要计算这个最后的分组在两个结点转发的传输时延：2*（1000*8b / 100Mbps） = 0.16ms 相加得到：80.16ms
也采用存储转发方式，但限制了每次传送的数据块大小的上线，把大的数据块划分成合理的小数据块，再加上必要的控制信息（源地址、目的地址、编号信息等），构成分组
优点
无建立时延
线路利用率高
简化了存储管理
加速传输
减少了出错概率和重发数据量
缺点
存在传输时延（但小于报文交换）
需要传输额外的信息量
采用数据报服务时，存在失序问题；采用虚电路服务时，有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程
数据报与虚电路
网络层向端点系统提供的服务，分组交换的两种方式，都由网络负责差错控制和流量控制
数据报（无连接）
作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层的 PDU)。中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点。
过程
（1） 主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A，交换结点A缓存收到的分组
（2） 然后查找自己的转发表。由于不同时刻的网绍状态不同，因此转发表的内容可能不完全相同，所以有的分组转发给交换结点C，有的分组转发给交换结点D
（3） 网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机B
特点
（1） 发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
（2） 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的结点。
（3） 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。
（4） 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。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。
（5） 网络具有冗余路径，当某个交换结点或一条链路出现故障时，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。
（6） 存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量。
（7） 收发双方不独占某条链路，资源利用率较高。
虚电路（面向连接）
在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。
过程
（1） 为进行数据传输，主机A与主机B之间先建立一条逻辑通路，主机A发出一个特殊的“呼叫请求”分组，该分组通过中间结点送往主机B，若主机B同意连接，则发送“呼叫应答”分组予以确认。
（2） 虚电路建立后，主机A就可向主机B发送数据分组。当然，主机B也可在该虚电路上向主机A发送数据。
（3） 传送结束后主机A通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接。
特点
（1） 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
（2） 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。
（3） 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。此外，还可以对两个数据端点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送。
（4） 虚电路有一个致命的弱点，即当网络中的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。
（5） 分组首部不包含目的地址，取而代之的是虚电路标识符，相对于数据报方式，开销更小
传输介质
传输介质也称传输媒体，时数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质。在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒介（铜线或光纤）传播，而非导向传输介质（无线传输介质）可以是空气、真空或海水
双绞线
由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
屏蔽双绞线(STP)：为了进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一层，即用金属丝编织成的屏蔽层
非屏蔽双绞线（UTP)：无屏蔽层的双绞线称为
带宽取决于铜线的粗细和传输的距离
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
同轴电缆
基带同轴电缆：5Ω同轴电缆，主要用于传送基带数字信号
宽带同轴电缆：7Ω同轴电缆，主要用于传送宽带信号
具有良好的抗干扰特性（屏蔽性），传输距离更远
光纤
利用光导纤维传递光脉冲来进行通信；由于可见光频率为10^8MHz，因此光纤的带宽范围极大
单模光纤
光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤（见图2.11)。单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源为定向性很好的半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。
多模光纤
利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤（见图2.10)，多模光纤的光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。
特点
（1） 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
（2） 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
（3） 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
（4） 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利
无线传输介质
无线电波
具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离
无线电波使信号向所有方向传播，简化了通信连接
视线介质
微波
卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号
优点：通信容量大、距离远、覆盖广
缺点：保密性差、端到端传播时延长
红外线
激光
物理层接口特性
（1） 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
（2） 电气特性
指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围，规定了电压高低、传输距离等
（1）某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~+15V表示二进制0，用-10V~-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内，这体现了物理层接口的电气特性 （2）当描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义，该描述属于功能特性
（3） 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
（4） 过程特性
或称规程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
常用标准
常用的物理层接口标准有EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH等
物理层设备
中继器（转发器）
功能：将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离，其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）
PS：放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。
端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否由错误数据或不适于网段的数据
中继器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然是一个局域网；由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网
PS：如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议；如果该网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议，中继器没有存储转发功能，因此它不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。 在物理层互联成功，只表明这两个网段之间可以互相传送物理层信号，但并不能保证可以互相传送数据链路层的帧；要达到在数据链路层互联互通的目的，则要求数据传输速率和数据链路层协议都相同
5-4-3规则
网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作。例如，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有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，不能挂接计算机
集线器
多端口的中继器，将输入端口的信号整形放大后转发到除输入端口外的其他所有端口输出
多个端口同时输入将引起冲突，是一个标准的共享式设备
PS：多台计算机必然会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域（也同属一个广播域）。集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。比如，一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mbls = 1.25Mb/s
起到信号放大和转发功能，但不具备信号的定向传送功能，既信号传输的方向是固定的
集线器连接的网络在拓扑结构上一般属于星形