计算机网络-2 物理层

计算机网络第二章物理层 ，汇总了物理层概述、基本概念、奈式/香农、编码/调制、数据报/虚电路、传输介质、物理层设备的内容，有兴趣的可以看看哟。

物理层

物理层概述

物理层的任务

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，

而不是指具体的传输媒体（传输介质）

物理层主要任务：确定与传输介质接口有关的一些特性。——定义标准

物理层的特性

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

谁表示0，谁表示1

功能特性

这个电平有什么具体含义

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）

定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

基本概念

数据通信模型

通信的目的是传送信息，如语音、文字、图像和视频等。

数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。

基本概念

数据与信号

数据

传送信息的实体，通常是有意义的符号序列

数据和信号都可用“模拟的”或“数字的”

信号

信号是数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

分类

数字信号/离散信号

表示信息的参数取值是离散的几个数值

模拟信号/连续信号

表示信息的参数取值是连续变化的

信源、信道、信宿

信源

是产生和发送数据的源头

信宿

是接收数据的终点

信道

是信号的传输媒介（逻辑上的），一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，

一条通信线路一般要包括一条发送信道和一条接收信道。

按传输信号可分为

模拟信道（只能传送模拟信号）

数字信道（只能传送数字信号）

按传输介质

无线信道和有线信道

三种通信方式

单工通信

只有一个方向的通信，而没有反方向的交互，仅仅需要一条信道

——如无线电广播、电视广播

半双工通信/双向交替通信

通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道

全双工通信

通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

数据传输方式

按信道

串行传输

将表示一个字符的8位二进制数按低位到高位的顺序依次发送，1比特1比特地按照时间顺序传输。

——速度慢、费用低、适合远距离通信

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，若干比特通过多条通信信道同时传输。

——速度快、费用高，适合近距离

按同步

同步传输

同步传输下，数据的传送以一个数据区块为单位，因此又称为区块传输，

在传送数据时，需要先送出1个或多个同步字符，再送出整批数据

——发送方和接受方的时钟是同步的

异步传输

异步传输下，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

发送端可以在任何时刻发送这些比特组，接收方不知道什么时候到达

传送数据时，需要加一个字符起始位和一个字符终止位

数据传输速率

码元

码元是指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，是数字通信中数字信号的计量单位。

即，一个固定时长内的信号称为码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元

1个k进制码元，可以携带log2k个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态

即，16种波形，每一种对应4bit能表示数的一个

速率

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

码元传输速率

别名码元速率、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（也可称为脉冲个数或信号变化的次数）

1s传输多少个码元

单位是波特（Baud，B）

1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元

码元速率与进制数无关，只与码元长度T（一个码元所占的时长）有关

信息传输速率

别名信息速率、比特率等

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（b/s）。1s传输多少个比特

带宽

模拟信号系统中

当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时（即-3dB）

最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽

单位为赫兹（Hz）

数字设备中

表示在单位时间内从网络中的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，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力

单位是比特每秒（bps）

带宽描述了信息运送能力

奈式/香农

失真问题

信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差

影响失真的因素

码元传输速率

信号传输距离

噪声干扰

传输媒体质量

奈奎斯特定理

解决问题——码间串扰

频率过高时，无法通过信道，否则会在传输过程中衰减，接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

奈式准则

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

结论：

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，使接收端不可能正确识别码元

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

计算举例

香农定理

解决问题——噪声干扰

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中

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

影响是相对的——信噪比

记为S/N

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率

单位

分贝dB

香农定理

给出了在带宽受限且有高斯白噪声的信道中，为了不产生误差，信息的极限数据传输速率

结论：

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，信息传输速率的上限就确定了。

只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一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

可以表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

计算举例

对比说明

奈式准则

针对波特率

没有限制比特率，认为极限波特率只要确定，再确定码元所载比特数，即可确定信息传输速率

给出了每赫带宽的理想低通信道最高码元的传输速率是每秒2个码元

即，要提高数据率，需要提升带宽或采用更好的编码技术

香农定理

针对比特率

限制了比特率，它不由波特率单独决定，由带宽和信噪比决定

推导出了带宽受限制且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率

即，要提高数据率，需要提升带宽或提高信噪比

注意：

当题目给出条件两个定理都能算，取较小的作为极限传输速率

只有这两个定理的计算，带宽单位是Hz

编码/调制

信道上的信号

基带信号

将数字信号1和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）

即，来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如说话的声波就是基带信号。

宽带信号

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）

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

区分

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，信号内容不易发生变化）

在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

基本概念

数据——>数字信号：编码

数字数据——（数字发送器）——>数字信号

模拟数据——（PCM编码器）——>数字信号

数据——>模拟信号：调制

数字信号——（调制器）——>模拟信号

模拟信号——（放大器调制器）——>模拟信号

数—>数

曼彻斯特编码

编码

将一个码元分成两个相等的间隔

前低后高为1

前高后低为0

也可以反过来

特点

每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既可作时钟信号（可用于同步）又可作数据信号

但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍（每一个码元都要被调成两个电平）

所以数据传输速率只有调制速率的1/2——1秒内，数据传输1bit，但电平变化了2次

应用

以太网

差分曼彻斯特编码

编码

同1异0

若码元为1，则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

特点

在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步

且抗干扰性强于曼彻斯特

数—>模

数字信号—调制—>模拟信号（发送端）————>(接收端）模拟信号—解调—>数字信号

【QAM】 （调幅+调相）

4×4=16种波形——>16种码元——>要能表示16种码元，一种码元应对应4个bit，例如0101就对应一种码元

1200×4=4800b/s

模—>数

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）

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。

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

为了不失真，要使用采样定理（奈奎斯特定理）：

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

编码：

把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

16种状态——4bit表示

4种状态——2bit表示

模—>模

模拟信号传输过程中受损，重新调制，或给它高频，减少损失

这种调制方式可以使用频分复用技术（FDM），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

数据报/虚电路

数据报服务

原理

源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A）

结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同

结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本

直到所有分组都到达主机B

特点

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

1、数据报为网络层提供无连接服务。发送方随时可发送分组，网络中的结点可随时接受分组

2、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

3、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

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。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。（会让上一个结点重发）

5、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

虚电路服务

原理

虚电路：一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，每一项记录了一个打开的虚电路的信息

结合数据报方式和电路交换方式

特点

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。

1、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

2、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

3、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。

4、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

5、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，要重建

比较说明

传输介质

传输介质是什么

传输介质也称传输媒体，它是数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理通路

逻辑通路是信道

传输媒体不是物理层

传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层

传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思

物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流

导向性传输介质

（电磁波被导向沿着固体媒介传播（铜线/光纤））

双绞线

双绞线

古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成

两根绞合，电磁消除，可以减少对相邻导线的电磁干扰

分类

屏蔽双绞线（STP）

双绞线外面再加上一个屏蔽层，进一步提高抗电磁干扰

非屏蔽双绞线（UTP）

特点

价格便宜，最常用，局域网和传统电话网，通信距离短，

距离远时，模拟传输要放大器放大信号，数字传输要用中继器整形信号

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。

按特性阻抗数值分类

基带同轴电缆

传送基带数字信号，局域网

宽带同轴电缆

传送宽带信号，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

光导纤维

光纤

利用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

发送端要有光源（发光二极管/半导体激光器）

接收端用光电二极管作为光检测器

构成

纤芯（实心的）：高折射率

包层：低折射率

入射角够大就能全反射

分类

光纤的特点：

通信容量非常大

可见光的频率约10^8MHz，带宽非常大

传输损耗小，中继距离长，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

非导向性传输介质

（自由空间，空气，真空，水中）

无线电波

较强穿透能力，可传远距离，

广泛用于通信领域（如手机通信）

向所有方向传播，无需对准

微波

特点

通信频率高，频段范围宽，数据率高

地面微波接力通信

直线传播，地面传播距离短，需要中继站

卫星通信

红外/激光

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

视线介质，发送方和接收方之间有一条视线通路，信号是固定方向传播

物理层设备

中继器

中继器的功能

由于信号传输存在损耗，信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致收错误

再生数字信号

对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，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

并非简单的放大

中继器的两端

两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互联，且两个网段的速率要相同

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，仅仅作用于电器部分，不管错误数据或不适用于网段的数据

两端可以连接相同介质，也可以连接不同介质

中继器两端的网段一定是同一个协议（中继器不会存储转发）

5-4-3规则

网络标准中对信号的延迟范围做了具体规定

即中继器的数目不是无线的，网络不能无限延长

在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网中——5-4-3规则

互相串联的中继器不超过4个

相连的5段通信介质中只有三段能够挂接计算机

其余两段只能用作拓展通信范围的链路段

集线器

集线器Hub——实质上是多端口的中继器

是一个星型拓扑结构

功能

接收输入端信号，对信号进行再生放大转发，转发到其他非输入端且工作的端口上

广播

不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备

只是信号的放大转发，以增加信号传输的距离，扩大网络的传输范围。

优点

双绞线组网，从服务器到工作端最经济的方式

把所有结点的通信集中到一点上集中管理，不让有问题的工作站影响网络的运行，用户的加入和退出方便

缺点

Hub只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率受限制

是共享网络，但逻辑上仍然是一个总线网

不能分割冲突域

所有集线器的端口都属于一个冲突域

集线器在一个时钟内只能传输一组信息，若多台同时通信，信息会碰撞

连在集线器上的工作主机平分带宽