计算机网络——第二章 物理层

dingallen216

物理层解决如何在链接各种计算机传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，这一过程也是在定义一个标准。
物理层的接口特性：

• 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。
• 功能特性：指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。
• 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。
  

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通信基础

码元传输速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud）。例：26波特表示数字通信系统每秒传输26个码元。
信息传输速率：单位bit/s。这个单位与上面那个单位的关系显而易见。这两个单位会考计算题，但显然无法出的多难。
奈氏准则（奈奎斯特定理）：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，单位是Hz。根据奈氏准则，能够得到四条结论：1、在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若传输速率超过此上限就会产生严重的码间串扰，使得接收端无法完成对码元的完全正确识别；2、信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输；3、奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有限制信息传输速率；4、由于码元传输速率受到奈氏准则的制约，所以若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，这就需要采用多元制的调制方法。
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值。 信道的极限数据传输速率=Wlog_{2}(1+\frac{S}{N}) ，单位是bit/s。根据香农定理，也能得到一系列推论：1、信道的带宽或信噪比越大，极限传输速率就越高；2、确定了带宽和信噪比，信息速率传输上限就确定了；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、香农定理得出的为极限信息传输速率，实际上能够达到的传输速率要比它低不少；5、如果W和S/N没有上限（不可能），极限传输速率就没有上限。
信噪比(dB)=10log_{10}(\frac{S}{N})

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编码&调制

基带信号：来自信源的信号，直接表达了要传输信息的信号。
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去传输（宽带传输）。


数字数据编码为数字信号

• 非归零编码（NRZ）：高1低0。编码容易实现，但没有检错功能，且收发双方难以保持同步。
• 曼彻斯特编码：规定前高后低或前低后高为0，反之为1。
• 差分曼特斯特编码：判断高低电平的方法变成了看码元之间的电平跳变。
• 归零编码（RZ）：信号电平在每一个码元之内都要恢复到零的编码方式。
• 反向不归零编码（NRZI）：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
• 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个比特来编码四个比特的数据，故称4B/5B编码，编码效率为80%。
  

数字数据调制为模拟信号

• 调幅
• 调频
• 调相
• 调幅+调相（QAM）
  

模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表 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，能够达到最高保真水平的就是 PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的 WAV文件中均有应用。它主要包括三步： 抽样、量化、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。 为了使所得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。
• 量化：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
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

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数据交换方式
电路交换
电路交换包括三个阶段：建立连接、通信、释放连接。
特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远 程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。


报文交换
报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。
报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。


分组交换
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，这种小块就称作分组（packet）。
分组交换的原理：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所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。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。
分组交换又分为数据报方式和虚电路方式。

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传输介质

传输介质及分类
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

• 导向型传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤。
• 非导向型传输介质：无线电波、微波、红外线和激光。
  

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物理层设备


中继器

• 诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
• 功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
• 中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
• 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
• 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
• 两端的网段一定要是同一个协议。
• 5-4-3规则：10M以太网中，最多不超过5个网段，最多有4个物理层网络设备，只有3个网段被挂接计算机。该规则能很大程度避免网络故障。
  
  

集线器（多口中继器）

• 功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
• 集线器不能分割冲突域。
  

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