第二章 物理层
第一节 通信基础
「通信」基本概念
- 数据：传送信息的实体
- 信号：数据的电磁表现，是数据的传输过程中的表现形式。
- 有模拟信号、数据信号
- 数据传输方式：串行传输、并行传输
- 码元：
- 用一个固定时长的数字脉冲表示一个k进制数字，代表不同离散数制的基本波形，称为k进制码元。
- 二进制码元只有两种状态，表示0的状态和表示1的状态。
- 码元宽度：码元固定时长的长度。
- 信源：产生和发送数据的源头。
- 信宿：接受数据的终点。
- 信道：
- 与电路不同，是信号的传输媒介。
- 一条通信线路包含一条发送信道和一条接收信道。
单向通信模型
信道的分类
- 按传输信号形式的不同
- 模拟信道
- 数字信道
- 按传输介质的不同
- 无线信道
- 有线信道
- 信道上的信号
- 基带信号：数字信号1和0直接用两种电压表示，送到数字信道传输（基带传输）
- 宽带信号：将基带信号调制后形成频分复用模拟信号，送模拟信道传输（宽带传输）
通信的三种方式
- 单向通信
- 半双工通信
- 全双工通信
- 速率（数据率）：数据传输速率
- 码元传输速率（波特率）：单位时间内传输的码元个数（脉冲个数或信号变化次数），单位为波特(Baud)。
- 信息传输速率（信息速率、比特率）：单位时间传输的二进制码元个数（比特数），单位为比特/秒(b/g)。
波特率和比特率的不同
- 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对应的信息传输速率为Mn比特/秒。
- 带宽：指信号均有的频带宽度，单位为赫兹(Hz)。
「通信」奈奎斯特定理
码间串扰：信号的高频分量在通过有限频率范围的信道导致信号衰减，接收端接受的码元信号波形失真。
奈奎斯特定理（奈氏准则）：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为避免码间串扰，极限码元传输速率为
波特。 表示理想低通信道的带宽。 表示每个码元离散电平的数目（指有多少不同的码元，16种码元需要4个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍）
奈氏准则结论
- 任何信道，码元传输速率有上限。超出上限会有严重的码间串扰。
- 信道的频带越宽（通过的信号高频分量越多），可用更高速率进行码元传输。
- 给出了码元传输速率的限制，未对信息传输速率受限制（未限制一个码元对应多少二进制位）
「通信」香农定理
- 香农定理(Shannon)给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率。
- 用该速率传输数据，无误差。
- 香农定理的定义
为信道带宽 为信道传输信号平均功率 为信道内部高斯噪声功率 为信噪比（信号的平均功率和噪声的平均功率之比） ， ，
香农定理的结论
- 信道带宽或信噪比越大，信息极限传输速率越高。
- 对一定传输带宽和一定信噪比，信息传输速率有上限。
- 信息传输速率低于上限，可有方法无误差传输。
- 香农定理得出极限信息传输速率，实际低不少。
奈氏准则和香农定理关联的东西
- 奈氏准则只考虑了带宽和极限码元传输速率的关系。
- 香农定理考虑到带宽和信噪比。
- 一个码元对应的二进制位数有限。
「通信」编码与调制
- 编码：数据变换为数字信号。
- 调制：数据变换为模拟信号。
「编码与调制」数字数据编码为数字信号
常用的数字数据编码
- 归零编码 RZ：高1低0，每个时钟周期中间跳变低电平（归零）；归零占用带宽；
- 非归零编码 NRZ：无法传递时钟信号，难以同步；
- 反向非归零编码 NRZI：信号翻转代表0，不变代表1，集成RZ和NRZ优点。
- 曼彻斯特编码：
- 一个码元分成两个间隔，第一间隔为高，第二间隔为低表示码元1，反之为0；
- 特点：中间跳变可做时钟同步，又做数据信号，占用频带宽度是原始基带宽度的两倍。
- 注：以太网使用的是曼彻斯特编码。
- 差分曼彻斯特编码
- 前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同，码元为1；反之为0；
- 特点：每个码元中间有电平跳变，可自同步，抗干扰性好。
- 常用于局域网传输。
- 4B/5B编码（参考）：将数据流的4位一组（16种组合）转化为5位一组（32种组合），将32种组合的16种对应16种不同的4位码，其余16位作为控制码或保留。
「编码与调制」数字数据调制为模拟信号
- 幅移键控 ASK：改变载波信号的振幅表示数字信号1和0；易实现，抗干扰差；
- 频移键控 FSK：改变载波信号的频率表示数字信号1和0；易实现，抗干扰强，广泛使用；
- 相移键控 PSK：改变载波信号的相位表示数字信号1和0；分绝对调相和相对调相；
- 正交振幅调制（QAM）：频率相同前提，将ASK和PSK结合，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，则QAM技术的数据传输速率R为
TIP
- n-ASK：表示n进制幅移键控。
- 2-ASK：表示2进制幅移键控。
「编码与调制」模拟数据编码为数字信号
- 典例：对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，包含三步骤：采样、量化、编码。
- 采样定理（奈奎斯特定理）：原始信号中的最大频率为
，采样频率 ，才能保证模拟信号不失真。
信号转化三板斧
- 采样：对模拟型号进行周期性扫描，把时间上连续信号变成时间上离散的信号。
- 量化：把采样的电平按照一定分级标准转化成对应数字取整。
- 编码：将量化的结果转化为对应的二进制编码。
「编码与调制」模拟数据调制为模拟信号
- 可使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源。
「数据传输」电路交换
- 建立专用物理线路，经过诸多结点、线路，使用期间全部独占，通信结束释放。
- 电路交换的三个阶段：连接建立、数据传输、连接释放。
- 电路交换的关键点：数据传输过程中，用户始终占用端到端的固定带宽。
电路交换的优缺点
- 电路交换的优点：时延小、有序传输、无冲突、适用广、实时性强、控制简单。
- 电路交换的缺点：建立连接时间长、线路独占、灵活性差、难转化（不同终端）
TIP
- 电路建立后，除了源结点和终点，电路上的任何结点都采取“直通方式”收发数据，无存储转发耗费时间。
「数据传输」报文交换
- 数据交换的单位是报文。
- 报文带有目标地址、源地址等信息。
- 报文交换在交换节点使用存储转发的传输方式。
报文交换的优缺点
- 报文交换的优点：无需建立连接、动态分配线路、线路可靠、线路利用率高、提供多目标服务。
- 报文交换的缺点： 在交换节点存储转发有转发时延（接收、检验、排队、发送）；对报文大小无限制，要求网络节点有大缓存。
TIP
- 主要使用在早期电报通信网，西安倍较先进的分组交换取代。
「数据传输」分组交换
- 分组交换在交换节点使用存储转发的传输方式。
- 解决了报文交换中大报文传输问题。
- 分组交换限制每次传送数据块大小，将大数据块划分为小数据块，加控制信息，构成分组(Packet)。
分组交换的优缺点
- 分区交换的优点：无建立时延、线路利用率高、简化存储管理、加速传输、减少差错。
- 分组交换的缺点：存在存储转发时延、传输额外数据量。
- 分组采用数据报服务，存在分组失序、丢失等问题，复杂。
- 分组采用虚电路服务，无失序问题，但有呼叫建立、数据传输、虚电路释放过程。
三种数据交换方式的比较
- 电路交换：传送数据量很大，传送时间远大于呼叫时间。
- 分组交换：端到端的通路由多段链路组成；低时延，适用于计算机之间突发通信。
「分组交换」数据报方式
A主机向B主机发送分组过程
- 主机A将分组逐个发往交换节点A，交换节点A缓存分组。
- 交换节点A查找自己的转发表（不同时刻转发表不同），部分分组发C，部分发D。
- 其他交换节点接收分组，类似地转发分组，最终到达主机B。
数据报服务特点
- 分组发送无需建立连接，发送方随时发送分组，网络中结点随时接收分组。
- 网络最大努力交付，不保证可靠性；交换节点独立选择分组，分组转发路径不同，不按序到达。
- 发送的分组中要包括发送端和接收端完整地址，因为要独立传输。
- 分组在交换节点存储转发需要排队，有转发时延；阻塞时时延很高，交换节点可能丢弃部分分组。
- 网络有冗余路径，交换节点或链路出现故障，会更新转发表，寻找另一条转发路径。
- 存储转发时延较小，吞吐量大。
- 收发双方不独占线路，资源利用率高。
「分组交换」虚电路方式
试图结合数据报方式和电路交换方式的优点。
虚电路方式的原理
- 分组发送前，要求发送方和接收方建立一条逻辑上相联的虚电路，连接建立后，固定虚电路对应的虚拟路径。
- 与电路交换类似，通信过程分三阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放。
虚电路方式的过程
- 端系统建立虚电路时会分配未使用的虚电路号。
- 传送数据时，数组分组要额外添加上它通过的虚电路号。
- 虚电路网络上每个节点都维持一张虚电路表，表中每项记录一个打开的虚电路信息（接收链路、发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识）。
- 数据传输是双向的。
虚电路方式的工作原理
虚电路服务特点
- 链路建立、拆除需要时间，小数据量浪费，适合长时间、大数据量。
- 路由选择体现在连接建立阶段，建立后固定了路径。
- 提供可靠通信，保证分组正确有序；可流量控制。
- 致命弱点：某个结点或链路被破坏，所有经过该结点或链路的连接全部阻断。
- 分组首部不包含目的地址，包含虚电路标识符，比数据报方式开销小。
- 两个端系统之间可能有多条虚电路为不同进程服务。
数据报服务和虚电路服务的比较
第二节 传输介质
「传输介质」同轴电缆
- 基带同轴电缆：传送基带数字信号，使用50
同轴电缆，局域网应用。 - 宽带同轴电缆：传输宽带信号，使用75
同轴电缆，有线电视系统应用。
「传输介质」光纤
- 单模光纤：纤芯很细，成本高，衰减少，适合远距离传输。
- 多模光纤：光脉冲会在传输时逐渐展宽，只适合近距离传输。
光纤特点
- 通信容量非常大
- 传输损耗小、中继距离长，远距离传输经济实惠、
- 抗雷电和电磁干扰强。
- 无串音干扰，保密性好，不易被窃听数据。
- 体积小、重量轻。
「传输介质」无线传输介质
- 无线电波：穿透力强，所有方向扩散，简化连接。
- 视线介质：很强的方向性，直线传播。
- 微波：频段很宽，超过一定距离需要中继站接力。
- 红外线、激光：转化为各自的红外信号和激光信号，再在空间中传播。
- 卫星通信：利用地球同步卫星作为中继站转发微波信号。
- 优点：通信容量大、距离远、覆盖广。
- 缺点：保密性差、端到端时延长。
「传输介质」物理层接口特性
- 机械特性：接口接线器尺寸等；
- 电气特性：接口电缆电压范围；
- 功能特性：某一电平的电压表示什么意义；
- 过程特性（规程特性）：不同功能的各种可能时间的出现顺序。
第三节 物理层设备
「物理层设备」中继器
- 原理是信号再生（并非简单的将衰减的信号方法）。
- 中继器使扩大网络规模最廉价的互联设备。
- 中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，中继器连接的几个网段仍是一个局域网。
- 中继器工作在物理层，不能连接两个具有不同速率的互联网。
注意事项
若某个网络设备具有存储转发功能，那么可以任务可以连接两个不同的协议。
中继器没有存储转发的功能，所以两侧网段必须是同一协议。
放大器和中继器都起到放大作用
- 放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大。
- 中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号再生。
「物理层设备」集线器
- 集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器。
集线器的作用
- 在网络中起到信号放大和转发的作用
- 扩大网络传输范围
集线器的特点
- 不具备信号定向传送能力（信息传输方向固定）
- Hub组成的是共享式网络，一个工作站出现问题不会影响整个网络的运行
- 逻辑上是个总线网，Hub每个端口连接的是同一网络的不同网段
集线器的缺点
- 若同时有两个或多个端口输入，那么在数据再生的过程会导致输出发生冲突，致使数据无效。
- Hub工作在半双工状态，网络吞吐率受限制。
TIP
- 集线器不能分割冲突域，所有集线器属于一个冲突域。
第四节 疑难点
传输媒体与物理层
- 传输媒体不是物理层，在物理层下面，有时称传输媒体在第0层。
- 传输媒体中传输信号，但是不知道信号的含义，因为电气特性由物理层规定。
基带、频带、宽带传输
- 基带传输
- 信号不经过调制就直接在信道上传输。
- 近距离传输，常用于局域网。
- 频带传输
- 对数字信号进行数字调制，变成适合传送的信号，可实现多路复用（码元）
- 用于远距离传输或无线传输。
- 宽带传输
- 将频带传输的链路容量拆成多个信道，各信道携带不同信号，互不干扰。
同步信道与异步信道
同步信道
- 双方时钟调整到一个频率，收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。
- 两种同步方式
- 全网同步：用非常精准的主时钟对全网所有节点进行同步。
- 准同步：允许时钟有微小误差，使用其他措施实现同步传输。
- 同步通信数据率较高，代价也高。
异步通信
- 发送端在任意时刻发送字符，必须在每个字符开始结束的地方加上标志，即开始位和停止位。
- 可以将帧作为发送的单位，帧首部和尾部必须有特定的比特组合，以便进行帧定界（找出帧开始）。
- 异步通信设备简单、便宜，但是传输效率较低（标志开销较大）。
