计算机网络-Part2——物理层

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通信基础

物理层基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体（传输介质不包括于物理层）。
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）
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。
  - 某网络在物理层规定，信号的电平用+10V～+15V表示二进制0，用−10V～−15V表示二进制1，电线长度限于15m以内
- 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。
  - 描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时（一般不会出现数字）
- 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。

数据通信基础知识

典型的数据通信模型
数据通信相关术语
- 数据通信
  - 指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数 0、1 序列的过程。
  - 目的，是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）。
- 数据：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。
- 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。
三种数据通信方式
- 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。
- 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（信道类似于矢量）。
- 全双工通信/双向同时通信
  - 通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
两种传输方式
- 串行传输
  - 将表示一个字符的8位二进制数按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。
  - 速度快，费用高，适合近距离
实现同步的传输/通信方式
- 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，需先送出1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，而接收方不知道它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
- 指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。
- 当码元的离散状态有 M 个时（M ＞ 2），此时码元为 M 进制码元。
- 1 码元可以携带多个比特的信息量。
  - 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表 0 状态，另一种代表 1 状态。
  - 在使用四进制编码时，有四种不同的码元，分别为 00/0110/11。
速率
- 速率也叫数据率，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：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1 波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
    - 码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关。
    - $$R_{B} = \frac{1}{T} (B)$$
  - 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，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）。
  - 关系：若一个码元携带 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 bit/s。
带宽（Bandwidth）
- 模拟信号系统中：最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，单位为**赫兹(Hz)**。（了解）
- 数字设备中：表示在单位时间内能通过的最高数据率（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数据的能力。单位是**比特每秒(bps)**。

奈氏准则和香农定理（重要）

影响失真程度的因素：1. 码元传输速率；2. 信号传输距离；3. 噪声干扰；4. 传输媒体质量
码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
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 2*W Baud，W 是信道带宽，单位是 Hz。
- 推论
  - 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，使接收端对码元无法正确识别。
  - 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。
  - 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，这就需要采用多元制的调制方法。
香农定理
- 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，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，信噪比就很重要。信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：
- 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
- 推论
  - 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无差错的传输。
  - 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不少。
  - 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
- 当两个方法都是用时，都计算，并选择其较小的一个结果

编码与调制（重要）

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。
- 按传输信号分：1. 模拟信道（传送模拟信号）；2. 数字信道（传送数字信号）。
- 按传输介质分：1. 无线信道；2. 有线信道
信道上传送的信号
- 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）。
  - 基带信号，是来自信源的信号，是发出的直接表达了要传输的信息的信号，计算机输出的数据信号、我们说话的声波都是基带信号。
- 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）。
  - 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移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）。
- 应用场景：
  - 在传输距离较近时，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）
  - 在传输距离较远时，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
- 编码：把数据转为数字信号的过程
- 调制：把数字信号转为模拟信号的过程
数字数据编码为数字信号
- 非归零编码（NRZ）：编码容易实现；但没有检错功能、无法判断一个码元的开始和结束、收发双方难以保持同步。
- 归零编码（RZ）：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
- 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。
- 曼彻斯特编码：前低后高为 1、前高后低为 0，相反亦可。
  - 特点：每个码元中间都有电平跳变，既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号；但所占的频带宽度是原始的两倍、数据传输速率只有调制速率的 1/2。
- 差分曼彻斯特编码：同 1 异 0
  - 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：每个码元中间都有电平跳变，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
- 4B/5B 编码
  - 用第 5 个比特位来包装 4 个比特位的数据（帧的开始和结束，线路的状态信息等）。编码效率为 80%。
数字数据调制为模拟信号
- 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
- 调幅+调相（QAM）：做题时遇到 n 个相位 m 种振幅，则可知有 n*m 种码元（n*m 进制码元），需要机器用 log2(n*m) 个 bit 来表示。
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）。
- 例如，对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），能够达到最高保真水平。
- 过程
  - 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成离散的信号。
    - 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：
    - f~~采样频率~~ ≥ 2 * f~~信号最高频率~~
  - 量化：把抽样取得的电平幅值按照分级标度转化为对应的整数值，即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。这种调制方式可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。
- 例如：在电话机和本地交换机所传输的信号

数据交换方式（重要）

电路（线路）交换
- 原理：在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
- 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、大量数据传输的情况。
报文交换(Message Exchanging)
- 报文，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。
- 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。采用存储转发方式。
分组交换(Packet Exchanging)
- 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，这种小块就称作分组（packet）。
- 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。
- 数据交换方式的选择
- 数据报方式
  - 流程
    - 源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A）。
    - 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同。
    - 结点 C 收到分组 P1 后，对分组 P1 进行差错检测，若正确则向 A 发送确认信息，A 收到 C 确认后则丢弃分组 P1 副本。
    - 所有分组到达目标主机（B）
  - 特点
    - 数据报方式为网络层提供无连接服务。即，发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
    - 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失。
    - 每个分组在传输过程中都必须携带源地址、目的地址、分组号。
    - 导致时延的情况：1. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理；2. 通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞，此时交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
    - 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组。对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信。
- 虚电路方式
  - 虚电路：
    - 结合数据报方式和电路交换方式，发挥两者优点。
    - 一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。
  - 流程
  - 特点
    - 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
    - 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，只包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
    - 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择。
    - 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路（不独占），每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以在两个数据端点之间进行流量控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
    - 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

物理层传输介质

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。
导向传输介质
- 双绞线
  - 双绞线，是古老、又最常用的传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
    - 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
    - 为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，即屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的则称为非屏蔽双绞线（UTP）。
  - 特点：
    - 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，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
- 同轴电缆
  - 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。
  - 按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：
    - 50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，在局域网中得到广泛应用；
    - 75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，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
  - 光纤通信，利用光导纤维（光纤）传递光脉冲进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。
    - 可见光的频率大约是 108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体。
    - 光纤主要由纤芯（实心的）和包层（低折射率）构成，入射角足够大，就会出现全反射，从而传输下去
  - 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。
非导向传输介质
- 无线电波（信号向所有方向传播）
  - 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（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。
  - 可用于
    - 地面微波接力通信
    - 卫星通信
      - 优点：
        
        通信容量大
        
        距离远
        
        覆盖广
        
        广播通信和多址通信
      - 缺点：
        
        传播时延长（250-270ms）
        
        受气候影响大（eg：强风、太阳黑子爆发、日凌）
        
        误码率较高
        
        成本高（指卫星）
- 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（相比微波的区别），即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

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。
- 中继器的功能：对数字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。
- 中继器的两端：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（不会校验）。
  - 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
  - 中继器两端的网段一定要是同一个协议。（不会存储转发）
- 5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
  - 最多只能由 5 个网段（一个中继器连两个网段）、4 个物理设备（中继器或集线器）、只有三个段可以连接计算机
集线器（多口中继器）
- 集线器的功能：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（广播）。