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QiShunwang

“诚信为本、客户至上”

计算机网络(二)物理层

2020/12/27 11:56:44   来源:

文章目录

  • 通信基础
    • 基本概念
      • **相关术语**
      • 两种数据传输方式
      • 三种通信信道
      • 两种通信方式
    • 奈奎斯特定理与香农定理
    • 编码与调制
  • 数据传输的三种交换方式
    • 电路交换
    • 报文交换
    • 分组交换
  • 数据包与虚电路(分组交换的两种应用方式)
    • 虚电路
    • 数据报
  • 传输介质
    • 导向性传输介质
    • 非导向性传输介质
    • 物理层接口特性
  • 物理层设备
    • 中继器 Repeater
    • 放大器 amplifier
    • 集线器 Hub
    • 调制解调器 Modem
    • 复用器 multiplexer & 分用器 demultiplexer

通信基础

基本概念

相关术语

  • 数据:传送信息的实体,通常是有意义的符号序列。

  • 信号

    • 数字信号:离散变化

    • 模拟信号:连续变化

  • 码元

    • 用一个固定时长的信号波形,代表不同的离散数值
    • 这个时长内的信号称为 k 进制码元(这个时长称为码元宽度)
  • 信源:产生和发送数据的源头。

  • 信宿:接收数据的终点。

  • 信道:信号的传输媒介

    • 传输信号:模拟信号,数字信号

    • 传输介质:有线信道,无线信道

  • 波特率: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所对应的信息传输速率为Mn比特/秒

  • 调制

    • 基带调制/编码

      • 把数字信号转换为另一种形式的数字信号
    • 带通调制

      • 把基带信号的频率范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号
  • 传输

    • 基带传输

      • 基带信号就是未经过调制的原始电信号
      • 可分为数字基带信号和模拟基带信号(相应地,信源也分为数字信源和模拟信源)
    • 频带传输

      • 频带信号就是调制过的信号,也就是射频信号,带通信号
      • 便于远距离传输。(远距离衰减大,将信号调制到较高频段,经过衰减仍能得到原始信号)
    • 宽带传输

      • 宽带信号就是频分复用的频带信号
      • 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)
  • 相位

    • 相位是对于一个波,特定的时刻在它循环中的位置:一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度
    • 举个例子,正弦函数里有这么几个点,sin(π/6),sin(π+π/6)、sin(2π+π/6)。(π/6)、(π+π/6)、(2π+π/6)被称为相位,怎么理解?相对位置,即相对于正弦波而言,特定时刻它的位置

两种数据传输方式

  • 串行传输

    • 速度慢,费用低,适合远距离

      • 在计算机组成原理“总线”一节中,由于并行传输存在相互干扰,串行总线可以不断提高频率,最终速度超过并行总线,我认为在这里也是合适的,串行传输的理论速率是可以比并行传输高的(但可能更难实现)
    • 仅受香农定理的理论极限值

  • 并行传输

    • 速度快,费用高,适合近距离
    • 并行传输频率较高时,会互相干扰,造成失真,不适合长距离传输

三种通信信道

  • 单工通信

    • 只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道。
  • 半双工通信

    • 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,需要两条信道
  • 全双工通信

    • 通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道。

两种通信方式

  • 同步通信

    • 同步通信的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

      • 简单说就是发送方的发送有一定规则
  • 异步通信

    • 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,接收端必须时刻做好接收的准备,每个字符加上开始位和停止位

      • 简单说就是发送方可以随时发送
    • 通信设备简单,实现容易,但效率较低(标志位)

奈奎斯特定理与香农定理

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。

如果题目即给了 带宽、信号位数、信噪比,那么就需要使用奈氏准则(假设无噪声)和香农定理,取两个的较小值。

码间串扰

奈奎斯特定理(内忧)

  • 理想低通信道下(无噪声,带宽受限)的极限数据传输率
  • 2 W log ⁡ 2 V 2 W \log _{2} V 2Wlog2V

香农定理(外患)

  • 信道极限数据传输速率
  • C = W log ⁡ 2 ( 1 + S N ) C=W \log _{2}\left(1+\frac{S}{N}\right) C=Wlog2(1+NS)

编码与调制

编码:数据->数字信号

调制:数据->模拟信号

数据传输的三种交换方式

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。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。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/传输时延小(一般用于电话)
    • 有序传输
    • 实时性强
  • 缺点

    • 建立连接时间长

    • 线路独占,使用效率低

      • 可以通过多路复用技术让多个用户同时使用一个线路,但是被占用的那个频带(以频分复用为例)别人依然是无法使用的
    • 无差错控制能力

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。

  • 缺点

    • 报文大小不定,需要网络节点有较大缓存空间
    • 中间结点存储转发时延较长且不固定,因此不能用于实时通信(如语音、视频传输)

分组交换

分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限,把大的数据块划分为合理的小数据块,再加上些必要的控制信息

  • 优点

    • 无需事先建立连接

    • 线路可靠性较高

    • 相对于报文交换,存储管理更容易,数据传输时间更短(王道 P45,38题)

      报文交换 必须整个报文全部接收完后,再进行转发

  • 缺点

    • 需要传输额外的信息量
    • 乱序到目的主机时,要对分组排序重组

数据包与虚电路(分组交换的两种应用方式)

  • 面向连接与无连接服务

    • 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。
    • 连接服务

      • 事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。
  • 数据报与虚电路,是网络层提供的两种服务,都是基于分组交换技术

虚电路

  • 在通信之前建立一条逻辑上相连的虚电路

  • 面向连接,可靠的服务,保证数据的可靠性和有序性

  • 路由选择只在建立连接阶段

    • 仅在建立连接阶段需要使用目的地址

    • 每个分组携带虚电路号,而非目的地址

      • 虚电路号标识了到达目标主机的传输路径
  • 使用多路复用技术,每条物理线路上可以建立多条逻辑连接

    • 电路交换是真正的物理线路,only one
  • 虚电路中的某个结点出现故障,所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作

数据报

  • 无连接不可靠服务

    • 不保证分组的有序到达
    • 差错处理和流量控制,由用户主机进行流量控制,不保证数据报的可靠性
  • 每个分组独立确定传输路径,不同分组传输路径可能不同

  • 对故障适应能力强

传输介质

传输媒体是物理层吗?

  • 传输媒体不是物理层,但物理层规定了传输媒体的一系列特性(上面四个),物理层考虑的是如何在传输媒体上实现比特流的透明传输
  • 传输媒体并不知道所传输的电信号代表什么意思,但物理层能够识别所传送的比特流
  • 有时称传输媒体为0层

导向性传输介质

双绞线

  • 双绞线价格便宜,是最常用的传输介质之一,在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线,其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时,要用相应设备再生衰减的信号。

  • 为什么绞合?

    • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

      根据右手准则,这两个绞合在一起的铜线,它们的电流是相反的,产生的电磁波大小相等,方向相反,则可以相互抵消,不影响相邻导线

  • 非屏蔽双绞线 UTP

  • 屏蔽双绞线 STP

    • 进一步提高抗电磁干扰能力

同轴电缆

  • 基带同轴电缆

    • 50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号,在局域网中得到广泛应用
  • 宽带同轴电缆

    • 75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号,它主要用于有线电视系统
  • 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

光纤

  • 与前两种存在本质上的区别,前面两种传递的都是电信号,光纤中传递的是“光脉冲”(所以需要在发送和接收端做光电转换)

  • 单模光纤

    • 一种在横向模式直接传输光信号的光纤
    • 定向性很好的激光二极管
    • 衰耗小,适合远距离传输
  • 多模光纤

    • 发光二极管
    • 易失真,适合近距离传输
  • 特点

    • 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据
    • 体积小,重量轻

非导向性传输介质

无线电波

电磁波 的一种。频率大约 为 10KHz~30,000,000KHz,或波长30000m~10μm的电磁波

  • 较强穿透能力,可传远距离,广泛用于通信领域(如手机通信)。
  • 信号向所有方向传播
  • 现在的无线局域网就使用其中的2.4GHZ和5.8GHZ 频段

微波

频率为300MHz-300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称

  • 微波通信频率高、频段范围宽,数据率高

  • 微波信号沿直线传播,所以在地面距离稍长,就需要微波接力通信

  • 主要用于卫星通信

  • 通信容量大,通信覆盖广、距离远(三颗地球同步卫星就能覆盖地球)

  • 传播时延长(250-270ms),受气候影响大(eg:强风太阳黑子爆发、日凌)

红外线、激光

  • 信号固定方向传播
  • 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

物理层接口特性

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。

过程(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。

功能特性

  • 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。

物理层设备

中继器 Repeater

扩展网络距离,将衰减的数字信号经过再生放大(再生放大,而非简单放大)

  • 使用中继器相联的主机属于同一冲突域,共享带宽

  • 中继器两端可以连接不同传输媒体(物理链路)

  • 中继器不具有存储转发功能,所以中继器不能连接两个速率不同的网段。(百科上写的不对)

    如果一个存储转发设备实现了某个层次的功能,那么它就可以互联两个在该层次上使用不同协议的网段(网络)。如网桥实现了物理层和数据链路层,那么网桥可以互联两个物理层和数据链路层不同的网段;但中继器实现了物理层后,却不能互联两个物理层不同的网段,这是因为中继器不是存储转发设备,它属于直通式设备。

  • 互相串联的中继器不能超过4个,且遵循“5-4-3”原则

放大器 amplifier

  • 中继器再生数字信号,相应的对于模拟信号传输,使用放大器(amplifier)放大衰减的信号

集线器 Hub

又叫多端口转发器,实质上是一个多端口中继器,也是对接收到的信号进行再生整形放大(重点是再生),从除输入端口外的把所有端口广播出去

  • 半双工通信

  • 共享带宽

  • 物理上星型,逻辑上总线(一般只说拓扑结构指的是物理结构)

调制解调器 Modem

俗称“猫”,计算机内的信息是由“0”和“1”组成数字信号,而在电话线上传递的却只能是模拟电信号。于是,当两台计算机要通过电话线进行数据传输时,就需要一个设备负责数模的转换。

复用器 multiplexer & 分用器 demultiplexer

在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道(多路复用)。分用器的作用正好和复用器相反,它把高速信道传送过来的数据进行分用,分别送交到相应的用户