计算机网络--物理层

物理层

物理层考虑的是怎样才能在连接各个计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。

1.通信基础

1.基本概念

- 数据、信号与码元：数据是指传送信息的实体；信号则是数据的电气或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式；码元是指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。

- 信源、信道与信宿：信源是产生和发送数据的源头；信宿是接受数据的重点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置；信道是信号的传输媒介。



通信系统模型图

- 速率、波特与带宽：速率是指数据的传输速率；1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元；带宽常用来表示网络的通信线路所传输数据的能力。

2.奈奎斯特定理与香农定理

2.1 奈奎斯特定理

Nyquist定理又称为奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W Baud。其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目，则极限数据率为：


对于奈氏准则，有以下三个结论：

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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

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。

对于采样定理：在通信领域带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f1必须大于或等于最大频率f的两倍，这样才能保证采样后的数字信号完整保留模拟信号的信息。

2.2 香农定理

香农（Shannon）定理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，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。定义为：



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为信噪比，即信号的平均功率和噪声的平均功率之比。当S/N=10，信噪比为10dB，而当S/N=1000，信噪比为30dB。

对于香农定理，可以得出以下结论：

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. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，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. 香农定理得出的未极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

上述两个定理主要区别：奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元所携带的比特是1还是0。香农定理给出了信息传输速率的极限，即对于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。

3.编码与调制

将数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。

数字编码为数字信号：

非归零码：用两个电压来代表两个二进制数字，如用低电平表示0，用高电平表示1.

曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示1，码元0则正好相反。

差分曼彻斯特编码：规则是若码元为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，若为0，则相反。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，且抗干扰性较好。

4B/5B编码：将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32中组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（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：1.幅移键控 2.频移键控 3. 相移键控 4.正交振幅调制

模拟数字编码为数字信号：该编码方法最典型的例子就是常用于对音频信号进行编码的脉码调制，主要包括三个步骤：抽样，量化和编码。

抽样：是指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。参考采样定理

量化：指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，这样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。

模拟数据调制为模拟信号：在电话机和本地局交换机所传输的信号时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。

4.电路交换、报文交换与分组交换

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的），该路径可能经过许多中间结点。该线路在整个数据传输期间一直被独占，知道通信结束后才被释放。因此，电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。

优点：通信时延小；有序传输；没有冲突；适用范围广；实时性强；控制简单。

缺点：建立连接时间长；线路独占；灵活性差；难以规格化。

报文交换

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：由于数据需要经历存储转发，因而会引起转发时延；报文交换对报文的大小没有限制，要求网络结点需要有较大的缓存空间。

分组交换

也是存储转发，但解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块的上限，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、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。

优点：无建立时延；线路利用率高；简化了存储管理（相对于报文交换）；加速传输；减少了出错几率和重发数据量。

缺点：存在传输时延；需要传输额外的信息量；当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组达到目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦，若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有时呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

三者的比较：若要传输的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路由很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

5.数据报与虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可以进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。

数据报

数据报服务特点：1）发送分组前不需要简历连接 。2）网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失。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，会有时延。5）网络具有冗余路径。6）存储转发的时延一般较小，提高了网络的吞吐量。7）收发双发不独占某一链路，资源利用率高。

虚电路

试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果。在分组发送之前，要求在发送方和接收方简历一条逻辑上相连的虚电路，并且一旦连接建立，虚电路所对应的物理路径也就固定了。整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立，数据传输和虚电路释放阶段。

虚电路的特点：1）虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式的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，传输路径就确定了。3）虚电路提供可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。4）致命的弱点：当网络中的某个结点出现故障而彻底失效，则所有经过该结点的虚电路将遭到破坏。5）分组首部并不包含目的地址，而是包含虚电路标示符，相对数据报方式开销小。

2.传输介质

1.双绞线、同轴电缆、光与无线传输介质

传输介质也称为传输媒体，它是发送设备和接收设备之间的物理通路。

1.双绞线：是由两根采用一定规则并排绞合的。相互绝缘的铜导线组成。价格便宜，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。

2.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。同轴电缆具有良好的抗干扰性，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。

3.光纤：利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。主要由纤芯和包层构成。

4.无线传输介质：无线电波；微波、红外线和激光

2.物理层接口的特性

物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

1）机械特性

2）电气特性

3）功能特性

4）规程特性

3.物理层设备

1.中继器

又称为转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号由于经过一长段电缆，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，来扩大网络传输的距离。

注意：放大器和中继器都是放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理将衰减的信号放大，中继器放大的是数字信号，原理将衰减的信号整形再生。

2.集线器

Hub实质上是一个多端口的中继器，也工作在物理层。在网络中只起到信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信号传送的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。

注意：集线器不能分割冲突域，所有集线器端都属于同一个冲突域。

区分基带传输、频带传输和宽带传输

基带传输：在计算机内部或者在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制就在信道上直接进行的传输方式称为基带传输。通常用于局域网。

频带传输：用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制），将其变成适合于传送的信号后再进行传输，这种传输方式就是频带传输。

宽带传输：通过借助频带传输，可以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信号，这就是宽带传输。宽带传输中所有的信道可以互不干扰地发送信号，链路容量大大增加。