计算机网络（二）——物理层

物理层的任务以及特性

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性——定义标准

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（网线，插排）
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（有数字，多少V表示0,之类的）
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（高低电平的意义）
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

数据通信的相关术语

通信的目的：传送消息

数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

1. 数字信号/离散信号，表示消息的参数的取值是离散的
2. 模拟信号/连续信号，表示消息的参数的取值是连续的

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。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

$信道\begin {cases} 按传输信号分类\begin{cases} 模拟信道(传送模拟信号)\\ 数字信道(传送数字信号) \end{cases}\\ 按传输介质分类\begin{cases} 无线信道\\有线信道 \end{cases} \end{cases}$

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，仅需要一条信道（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，需要两条信道
全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收消息，也需要两条信道

$数据传输方式\begin{cases}串行传输：将表示一个字符的8位二进制数由低位到高位的顺序依次发送。（速度慢，费用低，适合远距离）\\并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送（速度块，费用高，适合近距离）\end{cases}$

同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先传送一个或多个同步字符，再送出整批的数据

异步传输：异步传输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。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道他们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

码元

码元是指一个固定时长的信号波形图（数字脉冲），代表不同离散数值的基本模型，是数字通信中数字信号的计量单位

比如一个高低电平的波形图，高的部分是1，低的部分0，0和1水平的部分就叫做码元，波形图水平保持的时长称为码元宽度

因为高低电平波形图只有2种不同高度，所以称为二进制码元，若有k种不同的高度就叫做k进制码元

1个码元可以携带多个比特的信息量，比如二进制码元有0，1两种状态，0，1只用一位就能表示出来，所以二进制码元可以携带1个比特的信息量

4进制码元有四个离散状态，代表四种不同的波形00,01,10,11，所以四进制码元可以携带2个比特的信息量

数字通信系统数据传输速率的两种表示方式

速率也称数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量，可以用码元传输速率和信息传输速率表示

码元传输速率：（码元速率，波形速率，调制速率，符号速率）表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化次数），单位是波特(Baudi简写为B)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元(码元速率与码元h进制数无关只与码元长度T有关)，表示1s传输多少个码元

$R_B =\frac 1T(B)$
信息传输速率：（信息速率，比特率）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)。，表示1s传输多少个比特
两者的关系：若一个码元携带n bit的信息量，则MB的码元传输速率u搜对应的信息传输速率为 $M \times n$ bits/s
比较哪个速度较快时，比较的是信息传输速率

带宽

表示在单位时间内从网络中i某一点到另一点所能通过的最高数据率

也可以说是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的数据的能力

单位是波特每秒(dps 或 b/s)

失真和码间串扰

失真是指信号在传输过程中受到干扰，使得最终在接收端收到的信号与发送端发送的信号存在一定差异的现象

左边的数字表示信道带宽，第一种不能通过的原因是，震动的频率太小，在传输的过程中很容易就失真得无法辨认。

第四种不能通过的原因是码间串扰（h解搜端受到的信号波形失去码元之前清晰的界限的现象），震动得太快，就仿佛没有变换一般，难以辨认。

信道带宽W是信道能通过的最高频率和最低频率之差，在上图中就是 $W =3300Hz-300Hz = 3000Hz$

奈氏准则

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，单位而是Hz

只有在奈氏准则和香浓定理中带宽的单位才为Hz

奈氏准则是限制码元传输速率的上限

求极限数据率

$理想低通信道下的极限传输率=2W \times \log_2V(b/s)$

W表示的是信道带宽(Hz)，V表示码元的进制数

结论：

在任何信道中，码元传输速率是有上限的。
信道的频带越宽（就是信道带宽越大，最高频与最低频的差距越大），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的传输速率的限制，但是并没有多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，这就需要采用多元的调制方法

香农定理

噪声存在与所有的电子设备和通信信道当中，由于噪声随机产生，他的h瞬时值可能会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小，因此，信噪比（一般会直接给出）就很重要

$信噪比(\frac SN) =\frac{信号的平均传输功率}{噪声的平均功率}$

常记作S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即 $信噪比(dB) = 10 \log_{10}(\frac SN)$

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输数据率有上限值

$信道的极限数据传输速率=W\times \log_2(1+\frac SN)(b/s)$

其中 $\frac SN$ 是信噪比，S是信道所传信号的平均功率，N是信道内高斯噪声功率，W是信道带宽(Hz)

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。
对一定的传输信道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误差错的传输。
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很多
从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比 $\frac SN$ 没有上限，那么信道的极限传输速率也就没有上限(当然这种情况是不可能的)

使用方法：

两个公式如何确定，首先是看一下环境，无噪声就使用奈氏准则，有噪声使用香浓定理，如果给了码元的信号数量V(或者说是码元进制数)，使用奈氏准则，给了信噪比( $\frac SN$ )就使用香农定理，如果都给了，就两个公式都用上，然后极限传输速率取最小值。

基带信号与宽带信号

基带传输就是数字信号在数字信道上进行传输

$信道上传送的信号\begin{cases}基带信号——将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)\\ 宽带信号——将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上传输(宽带传输)\end{cases}$

基带信号：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。

宽带信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率调制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)。

在近距离传输时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)

在远距离传世时，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)

编码与调制

$数据\begin{cases}变成数字信号要经过编码\\变成模拟信号要经过调制\end{cases}$

$数字信号\begin{cases}经过数字发送器编码->数字信号\\经过调制器调制—>模拟信号\end{cases}$

$模拟数据\begin{cases}PCM编码器编码->数字信号\\放大器调制器调制->模拟信号\end{cases}$

数字数据编码为数字信号

主要编码方式有：非归零编码(NRZ)，曼切斯特编码，差分曼切斯特编码，归零编码(RZ)，反向不归零编码(NRZI)，4B/5B编码

非归零编码：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于双方都难以保持同步。
归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码方式
反向不归零编码：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
曼切斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低后一个间隔为高表示码元1；码元0则与之相反。也可以采用相反的规定。
1. 该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位于中间的跳变即即作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但他所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的 $\frac 12$
差分曼切斯特编码：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电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰等里强于曼切斯特编码。
4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。在5B编码中只采用16种对应16种不同的4位编码，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

ASK(调幅)：0和1分别用不同的振幅表示(高度不同)

FSK(调频)：0和1分别用不同的频率表示(频率不同)

PSK(调相)：0和1的相位不同，比如0用正弦波，1用余弦波这类的说法

正交振幅调制(QAM，调幅+调相)：调制有n种的相位每种相位又有m种振幅，最后生成的信号总共有 $n \times m$ 种（与计算信息传输速率结合）

模拟信号数据编码为数字信号

将模拟音频通过采样，量化转化成o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,能达到最高h保真水平的就是PCM编码。该编码主要包含三个步骤：抽样，量化和编码。

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。
- 为了使得1所有的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样： $2f_{信号最高频率}\leq f_{采样最高频率}$
量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标准转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转化为离散的数字量。
编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码。

数据交换方式

$数据交换方式 \begin{cases} 电路交换\\ 存储转发交换方式\begin{cases} 报文交换\\ 分组交换\begin{cases}数据报方式\\虚拟电路方式\end{cases} \end{cases} \end{cases}$

电路交换

电路交换的原理：在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条由中间节点构成的专门用于物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
电路交换的阶段：

$建立连接(呼叫/电路连接)->通信(数据传输)->释放连接(拆除电路)$

建立连接：A根据路由算法选出一条路径走到B,然后B通过路径响应A

通信：在这条路径上进行信息传输

释放连接：A发送释放请求，然后经过原来的线路进行转发，最后B发出释放响应通信结束
特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用与远程处理信息传输或i系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

电路交换的优缺点

优点	缺点
传输时延小	建立连接时间长
数据顺序传输，无失序问题	线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，通道使用效率低
实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信。	灵活性差，双方连接通路中的任何一点除了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信
全双工通信，没有冲突，通信双发有不同的信道，不会征用物理信道	无数据存储能力，难以平滑通信量
适用于模拟信号和数字信号	电路交换时，数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端很难i相互进行通信
控制简单，电路的交换设备及控制较简单	无法发现与纠正传输差错，难以在通信h过层中进行差错控制

报文交换

1. 报文：站点一次性发送的数据块，是网络中交换与传输的数据单元

原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，数据传输单位是报文，传送过程中采用存储转发的方式。
流程，将信息和报头封装成报文在链路上进行和传输
优缺点：

|                             优点                             |                             缺点                             |
| :----------------------------------------------------------: | :----------------------------------------------------------: |
|                无需建立连接，可以随时发送报文                |         实时性差，不适合传输实时或交互式业务的数据。         |
|     动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，平滑通信量     |                       只适用于数字信号                       |
|              提高线路可靠性，可以从多条路径传输              | 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能
 要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点
 有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存
 储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，
 进一步增加了传送时延。 |
|          提高线路利用率，通信双方都不是独占物理通道          |                                                              |
|                   一个报文可以发往多个地址                   |                                                              |
| 在存储转发中容易实现代码转化和速率匹配，甚至收敛双方可以不同处于可用状态，这样就便于类型，规格和速度不同的计算机之间进行通信。 |                                                              |

分组交换

分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就成为分组
原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制传输的数据单位的长度，一般选128B，发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收节点将收到的分组组装成信息或报文。
流程：将大报文分割成小报文，并加上控制信息

优缺点

优点	缺点
无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组。	尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道。	每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间。
简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。	当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作;传输一个分组比份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间。
减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延。
分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。

数据交换方式的选择

数据交换的表现形式
选择方式
1. 传输数据量大，且传输时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小
2. 当端到端的通路有很多端的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换由于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合计算机之间的突发式的数据通信。

分组交换

数据报：将报文分成多个分组，每个分组发送时可能向不同的路径发送，当分组在了另一个交换机通过差错检测后，会向原来的交换机i发送确认信息，这时候原来的交换机就会删除发送内容的副本，接着在新交换机上的分组将会继续进行路由选择。

特点：
1. 无连接服务，可以随时发送分组接收分组，不建立通路连接
2. 报文发生乱需，重复，丢失，但是报文上有序号，可以重新排序
3. 每个分组都要有源地址目的地址以及分组号
4. 交换节点的转发时需要排队处理，当拥堵时会产生一定延迟，还可能根据情况丢掉一部分分组
5. 网路有冗余路径，当存在节点故障时，可以及时更新转发表，寻找另一条路径转发分组，故障适应能力强，用于突发性通信，不适合长报文会话式通信
虚电路方式：
1. 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)
2. 显示建立连接，发送呼叫请求，目的h主机收到请求后回应才算建立成功，发送分组时，携带虚电路号，分组号，检验和控制信息，数据包发送结束后，可以拆除虚电路
特点：
1. 虚电路方式为网络层提供连接服务，源节点与o目比啊建立一条逻辑连接。
2. 不会出现乱序重复丢失的情况
3. 通过每个节点时，只需要差错检测，不需要路由选择
4. 缺点：当网络中的某个节点或谋条链路出现故障而彻底失效时，则所有经过该节点或该链路的虚电路将遭到破坏

两者对比

内容	数据报	虚电路
建立连接	不需要	一定要
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接的阶段使用，之后i么个分组使用长度较短的虚电路信号
路由选择	每个分组独立进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照统一路由转发
分组顺序	不保证分组的有序到达	保证分组的有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可以正常传输	所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据的可靠性	可由分组交换网负责，也可以有用户主机负责

传输介质

数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

除数媒体中传输的是信号，但是传输i媒体并不知道传输的信号代表什么意思。但物理层中规定了电气特性，因此能够识别所传输的比特流。

$传输介质\begin{cases} 导向性传输介质——电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播\\ 非导向性传输介质——自由空间，介质可以是空气，真空，海水 \end{cases}$

导向性——双绞线

由两根采用一定规则排胶合的，相互绝缘的铜导线组成，可在其外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就成为非屏蔽双绞线(UTP)。

价格便宜，是最常用的传输介质之一，模拟传输和数字传输都可以使用，距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要中继器将失真的信号整形。

导向性——同轴电缆

所有的结构都共用一个轴心所以叫同轴电缆，分为基带同轴电缆(用于局域网)和宽带同轴电缆(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，被广泛应用与传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

导向性——光纤

光纤通信利用光导纤维传递光脉冲进行通信，有光脉冲为1，无为0，宽带和通信量远远大于目前其他各种传输媒体。

光纤有纤芯(实心)和包层构成，前者折射率大于后者，当入射角足够大时就会发生全反射，使得光信号不断在纤芯内传输。损耗小，适用于长距离传输。

名称	定义	光源	特点
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	衰减小，适合远距离传输
多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	发光二极管	易失真，适合近距离传输

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

$非导向型传输介质\begin{cases} 无线电波(向所有方向传播)：较强的穿透穿透能力，可传远距离，广泛应用与通信领域(如手机通信)\\ 微波(信号固定方向传播)：微波通信频率较高，频段范围宽，因此数据率很高\begin{cases} 底面微波通信\\ 卫星通信\begin{cases}优点\begin{cases}通信容量大\\距离远\\覆盖广\\广播通信和多址通信\end{cases}\\ 缺点\begin{cases}传播时延长\\受气候影响大\\误码率高\\成本高\end{cases}\end{cases} \end{cases}\\ 红外线，激光(信号固定方向传播):把传输的信号分别转化为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播 \end{cases}$