计算机网络-第二章-物理层

一、物理层的基本概念

• 功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流
• 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 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
  • 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
• 物理层尽可能的屏蔽硬件设备和传输介质的差异，让数据链路层感觉不到这些差异，使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务
  
  

二、数据通信的基础知识

1.基本概念

• 数据：运送信息的实体
• 信号：数据的电气的或电磁的表现
• 模拟的：连续变化的
• 数字的：取值是离散数值
• 频带：信号频率范围
• 带宽：有效带宽
• 调制：把数字信号转换为模拟信号的过程
• 解调：把模拟信号转换为数字信号的过程
  
• 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值
• 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值
• 基带信号：信源发出的原始电信号
  • 模拟信源 --> 模拟基带信号
  • 数字信源 --> 数字基带信号
• 同步通信：通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率
  • 通信效率高，但实现的代价也较高
• 异步通信：在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，但接收端必须时刻做好接收的准备
  • 异步通信的设备简单、便宜，但传输效率较低
• 单向通信(单工通信)：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
  • 
• 双向交替通信(半双工通信)：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也不能同时接收)
  • 
• 双向同时通信(全双工通信)：通信双方可以同时发送和接收信息
  • 
• 码元：时间轴上的一个信号编码单元
• 误码率：
  • 传输出错的码元数占传输总码元数的比例
  • 设传输总码元数为N，传输出错的码元数为Ne， 则误码率为Pe=Ne/N
  • 根据误码率的大小选择合适的数据单元大小来传输
• 波特率：又称码元传输速率，每秒钟发送的码元数（或脉冲个数或信号变化次数），或者说每秒钟信号（比如电压）变化的次数，单位为波特（baud)
  
• 比特率：，又称信息传输速率，指每秒钟能传送的二进制位数，单位为比特/秒（bps）
• 波特率与比特率的关系
  • 多元制：若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为M * n b/s
  • 设比特率为S，波特率为B，则S=B·log₂N (bps), N为码元状态数
    
    

2.模拟传输与数字传输

• 模拟传输系统

  • 在模拟传输系统中采用模拟信号传送数据，该系统的特点是使用放大器来补偿信号在传输过程中的衰减

• 数字传输系统

  • 在数字传输系统中既可采用数字信号、也可采用模拟信号传送数据。该系统的特点是在传输介质中插入转发器（Repeater，或叫中继器）以补偿传输过程中信号的衰耗和抑止干扰

• 数据编码(调制)：

  • 就是将数据转换为适合于在信道上传输的某种电信号形式(模拟或数字信号)

• 数据编码方式：

  • 基带传输：按照原始信号的固有频带传输
  • 宽带传输：用基带数据信号对某个频率的载波进行调制，将其变换成适合于在某个频段上传输的模拟信号

• 数字数据的数字信号编码

  • 分类：
    • 单极型脉冲(电压有或无)
    • 双极型脉冲(电压正或负)都可以用来表示2进制数。双极型脉冲可以有效抑制直流分量
  • 常用的编码方式：
    
    • 不归零编码（NRZ）：在一个码元的全部时间内，电平保持恒定
    • 归零编码（RZ）：在一个码元结束时电平总是回到零
    • 反向非归零编码（NRZI）：信号的翻转代表0、信号保持不变代表1
    • 曼彻斯特编码（双相码）：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示“1”，从低到高的跳变表示“0”
      • 10Mbps的以太网使用
      • 便于提取定时信息
      • 每个比特需要两个信号周期
    • 差分曼彻斯特编码：曼彻斯特编码的一种变形。在这种编码方式中，每位的中间跳变只用于作为同步时钟信号，而用位的起始处有无跳变来区分“0”和“1”，若有跳变表示“0”，无跳变表示“1”
    • nBmB：nBmB码将n位二进制信息码作为一组，映射成m位二进制新码组，其中m > n

• 最基本的二元制调制方法（数字数据调制为模拟信号）：
  

  • 振幅键控(ASK)：载波的振幅随基带数字信号而变化
  • 频移键控(FSK)：载波的频率随基带数字信号而变化
  • 相移键控(PSK)：载波的初始相位随基带数字信号而变化
  • 正交振幅调制(QAM)：在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号
    • QAM技术的数据传输速率 R= B·log₂(nm) (bps),B为波特率，采用m个相位，每个相位有n种振幅
    • 不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加
  • 调制解调器：
    • 目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了
    • 要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比
    • 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声
    • 调制器(MO)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送
    • 解调器(DEM)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号

• 脉码调制PCM（模拟数据编码为数字信号）：

  • 模拟数据转换为数字信号来传输
  • 脉冲编码调制Pulse Code Modulate
  • 三个步骤: 采样、量化和编码
  • 采样：
    • 即按一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。根据奈奎斯特定理：只要采样频率不低于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值包含了原始信号的全部信息
    • 如果语音数据限于4000Hz以下的频率，那么采用8000Hz的采样频率就足以使采样值包含该语音信号的完整特征
  • 量化：
    • 使采样值在取值上离散化。通常的做法是将原始信号的取值范围划分成若干个等级（通常为2n级），将每个采样值取整到离它最近的一个等级上
  • 编码：
    • 将量化的的采样值用一定位数的二进制数来表示
    • 正码、反码和补码等
      
      

3.信道的极限容量

• 若给出了码元与比特数之间的关系，则需受两个公式的共同限制

奈氏准则

• 任何信道中，码元传输速率是有上限的
• 信道的频带越宽（即通过的信号高频分越多），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
• 所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法
  
  

香农定理

• 信道容量：香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率
• 信道的极限信息传输速率C：C = W log₂(1+S/N) b/s
  • W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S/N 为信噪比[S/N = 10log₁₀(S/N)]以db为单位）
  • 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
  • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输
  • 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
  • 一个码元对应的二进制位数是有限的
  • 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限
  • 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少
    
    

4.网络交换方式

三种基本的交换方式

• 电路交换

  • 必定是面向连接的
  • 电路建立后，除源结点和目的结点外，电路上的任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间
    
  • 三个阶段：
    • 建立连接
    • 通信
    • 释放连接
  • 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

  • 源（应用）发送信息整体；例如，电报；信息整体即为报文
  • 单位是报文，报文携带目的地址、源地址等信息
  • 采用存储转发的传输方式
  • 优点：
    • 无须建立连接
    • 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：
    • 转发时延
    • 要求网络点有较大的缓存空间
  • 在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换
  • 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了

• 分组交换
  
  

  • 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段
  • 每一个数据段前面添加首部构成分组
    • 每一个分组的首部都含有地址等控制信息
    • 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机
    • 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终
      目的地
  • 优点：
    • 无建立连接
    • 线路利用率高
    • 减少了出错概率和重发数据量
    • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
    • 灵活：以分组为传送单位和查找路由
    • 迅速：不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽
    • 可靠：完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性
  • 缺点：
    • 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延
    • 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销
  • 报文交付时间
    • 具体问题具体分析
      

• 三种交换的比较
  
  
  

数据报与虚电路

• 分组交换依据其通信子网向端点提供的服务，还可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
• 两种服务都由网络层提供
• 数据报：
  • 分组并不占用网络其他部分资源，因为采用存储转发技术，资源是共享的
  • 特点：
    • 不需要建立连接
    • 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性
    • 分组要包括发送端和接收端的完整地址
    • 需要排队等候处理，这会带来一定的时延
    • 网络有冗余路径，对故障适应能力强
    • 存储转发的时延一般较小，提高了网络的吞吐量
    • 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，充分发挥两种方式的优点，以达到最佳的数据交换效果
  • 虚电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干个虚电路通过
  • 网络中的传输是否有确认与网络提供的两种服务没有任何关系
  • 三个阶段：
    • 虚电路建立
    • 数据传输
    • 虚电路释放
  • 特点：
    • 通信链路的建立和拆除需要时间开销
    • 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，能确保每个分组正确且有序到达
    • 可以进行流量控制，当接收方来不及接收数据时可以通知发送方暂缓发送
    • 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受破坏
    • 分组首部不包含目的地址，包含虚电路标识2符，相对与数据报方式，其开销小

• 两种方式的比较
  

三、传输媒体

1.导向传输媒体

• 双绞线
  
  • 屏蔽双绞线(STP)：以铝箔屏蔽以减少干扰和串音
  • 无屏蔽双绞线(UTP)：3类、5类、6类双绞线外没有任何附加屏蔽
  • 双绞线为什么要绞：可以减少对相邻导线的电磁干扰
  • 应用：
    • 主要用于基带传输
    • 双绞线上既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号
    • 在电话系统和局域网中，双绞线得到了广泛的应用
    • 无屏蔽双绞线的应用远比屏蔽双绞线广
• 同轴电缆
  
  
  • 主要用于频带传输
  • 具有良好的抗干扰特性，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
• 光纤
  
  
  • 多模光纤
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  • 单模光纤
    • 
  • 数据编码：在发送端利用电信号对光载波进行调制，调制的方法属于振幅键控法，称强度调制，通常以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”
  • 优点：
    • 传输信号的频带宽，通信容量大。10Gbps
    • 信号衰减小，传输距离大
    • 抗干扰能力强，应用范围广
    • 抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下布线
    • 安全性好，信息不易被窃取
  • 缺点：
    • 成本高，连接时需要专用设备
      
      

2.非导向传输媒体

• 分类：
  • 微波、红外线和激光
  • 它们都沿直线传播，不能穿透或绕开固体障碍物，需要在发送方和接收方之间存在一条视线通路，故有时统称为视线介质
• 微波在空间主要是直线传播：
  • 地面微波接力通信
    • 
  • 卫星通信
    • 
      
      

四、同步光纤网(SONET)和同步数字系列(SDH)

• 旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：
  • 速率标准不统一
    • 如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现
  • 不是同步传输
    • 在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式
      
      

1.同步光纤网(SONET)

• 同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟
• 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s
• 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier
• 
• 光子层：处理跨越光缆的比特传送
• 段层：在光缆上传送 STS-N 帧
• 线路层：负责路径层的同步和复用
• 路劲层：处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输
  
  

2.同步数字系列(SDH)

• ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
• 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词
• SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率
  
  

五、宽带接入技术

1.xDSL

• DSL 是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写
• xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务
  • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线,32-640K~32K-6.4M下载速率
  • HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线 (代替T1)
  • SDSL (Symmetric DSL)：1 对线的数字用户线
  • VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线，短距离，1.5-2.5M~50-55M
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2.HFC

• 类型：HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网
• 服务：HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务
• 改进：现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造
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• 构成：
  • HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术
    • 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济
  • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)
    • 在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆
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3.FTTx

• 也是一种实现宽带居民接入网的方案
  • 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法
  • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户
  • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体
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六、物理层设备

1.中继器

• 主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过长时间电缆后而产生的失真和衰减
• 其原理是再生
• 端口仅作用于信号的电气部分
• 使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网，中继器两端的网段一定要使用同一个协议
  
  

2.集线器

• 实质上是一个多端口的中继器
• 在网络中只起信号放大和转发作用，不具备信号的定向传送能力，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备
• 由Hub组成的网络是共享式网络，但是逻辑上仍是一个总线网
• 以广播的方式将信号从除输入端口外的所有端口输出，因此任意时刻只能有一个端口的有效数据输入
• 只能在半双工状态下工作
• 不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域
• 集线器在一个时钟周期只能传输一组信息