【计算机网络】物理层
时间：2022-10-21 04:00:00
目录
- 一、知识点导图
- 二、物理概述
- 三、数据通信模型
-
- 3.1 数据通信模型
- 3.2 相关术语
- 四、奈氏标准和香农定理
- 五、编码调制
- 六、三种交换方式
- 7.数据报告和虚拟电路模式
- 八、物理层传输介质
一、知识点导图
二、物理概述
物理层解决的主要任务
数据比特流在各种计算机媒体上传输
主要任务
确定一些与传输媒体接口相关的特定义标准)
四种特性
- 机械特性（语法）
定义物理连接的特性，规定规格、接口形状、引线数量、引脚数量和排列- 电气特性（语义）
在规定传输二进制数据时，电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制- 功能特性（语义）
指出某条线上出现的电平的意义和接口部件信号线的用途- 规程特性（同步）
也称为过程特征，定义各物理线路的工作规程和时间关系
三、数据通信模型
3.1 数据通信模型
3.2 相关术语
通信的目的传送消息(语音、文字、图像、视频等)
1、数据（data）
传输信息的实体是数据在传输过程中的存在形式
2、信号
电气/电磁数据的性能是数据在传输过程中的存在形式
- 数字信号/模拟信号：代表新闻参数的值是离散的
- 模拟信号/连续信号：代表新闻参数的值是连续的
3、信源
产生和发送数据的源头
4、信宿
接收数据的终点
5、信道
信号传输媒介
通常用来表示向某个方向发送信息的介质，因此通信线路通常包括发送信道和接受信道
分为传输信号
- 模拟信道(传输模拟信号)
- 数字信号(传输数字信号)
按传输介质分为
- 无线信道
- 有线信道
六、三种通信方式
- 单工通信
只有单向通信，只有一条信道- 半双工通信
双方都可以发送接收，但需要同时发送和接收两条信道- 全双工通信
双方可方同时发送和接收消息两条信道
7、数据传输方式
1.串行并行传输
- 串行传输
通过一道从低到高的顺序，将每个字符的8位二进制数依次发送
速度慢，成本低，适合距离长
- 并行传输
通过8条信道同时发送每个字符的8位二进制数
速度快，成本高，适合短距离
2.同步和异步传输
- 同步传输
数据以一个数据区块位单位传送，因此又称区块传输，在传送数据时，需先送出一个或多个同步字符，再送出整批的数据
- 异步传输
将比特分成小组传送，小组可以使8位的一个字符或者更长
发送者可以随时发送这些比特组，接收者不知道数据何时到达
传输数据时，添加字符起始位置和字符终止位置
8、码元
- 指代表不同离散数字的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位
- 当码元的离散状态为M时，称为M进制码元
- 例:4进制码元->有4个码元离散状态->四种不同高度的信号波形 00、01、10、11
9、速率
又称数据率，是指单位时间内传输的数据量
- 码元传输速率
表示单位时间内数字通信系统传输的码元数
单位波特（Baud）- 信息传输速率
数字通信系统在单位时间内传输的二进制码元数(即比特数)
单位b/s关系：携带一个码元n bit信息量，是的M Baud码元传输速率对应于信息传输速率位Mxn bit/s
10、带宽
- 模拟信号系统
系统的最高频率和最低频率之间的差异代表了系统的通频带宽
单位为赫兹（Hz）- 数字设备
带宽表示最高数据率可以在单位时间内从一个区域完成到另一个区域通过
单位为b/s
通常用来表示网络通信线路传输数据的能力
四、奈氏标准和香农定理
1、奈氏准则
为避免码间串扰，极限码元的传输速率为理想低通(无噪音，带宽有限) 2W Baud，W单位为信道带宽Hz
- 在任何信道中，码元传输速率都是有上限的。
- 信道的频带越宽，码元的有效传输速度就越高
- 奈氏标准限制了码元传输速率，但没有限制信息传输速率
- 由于码元的传输速率受奈氏标准的限制，药物需要努力提高数据的传输速率，使每个码元能够携带更多的比特信息
2、香农定理
噪声存在于所有电子设备和通信通道中。由于噪声是随机产生的，因此噪声会导致接收码元的判断出错
但是，噪声的影响是相对的。如果信号强，噪声影响相对较小，因此信噪比很重要
信噪比 = 信号的平均功率 / 平均噪声功率，常记为S/N
信噪比（dB）= 10*log10 (S/N)
两者数值等价，表示方式不同
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
- 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
3、奈氏准则和香农定理的区别
奈氏准则
- 内忧
- 带宽受限无噪声下，为避免码间串扰
香农定理
- 外患
- 带宽受限有噪声
两者同时出现时，取较小值
五、编码和调制
1、基带信号与宽带信号
基带信号
- 来自信源的信号，比如计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号
- 直接表达了要传输的信号的信号，比如声波
- 传输距离较近
宽带信号
- 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
- 传输距离较远
2、编码与调制
编码：数据——>数字信号
调制：数据——>模拟信号
- 数据数据--------调制器------》模拟信号
- 模拟数据--------放大器调制器------》模拟信号
3、数字数据编码为数字信号
以太网使用的就是曼彻斯特编码
4、数字信号调制为模拟信号
5、模拟数据编码为数字信号
抽样
- 对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号编程时间上离散的信号
- 要保证：f采样频率 ≥ 2f信号最高频率
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
- 把量化的结果转化为与之对应的二进制编码
六、三种交换方式
1、电路交换
电路交换原理：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，在数据传输结束之气那，这条线路一直保持
电路交换阶段：建立连接（呼叫/电路建立）=》通信（数据传输）=》释放连接（拆除电路）
电路交换优点
- 传输时延小
- 数据顺序传送，无失序问题
- 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
- 全双工通信，没有冲突
- 适用于模拟信号和数字信号
- 控制简单，电路的交换设备即控制较简单
电路交换缺点
- 建立连接时间长
- 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用率较低
- 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出现了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信
- 无数据存储能力，难以平滑通信量
- 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相互通信
- 无法发现于纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制
2、报文交换
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，其长短不一致，长度不限且可变
报文交换原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位时报文，传送过程采用存储转发方式
报文交换优点
- 无需建立连接，无建立连接时延，用户课随时发送报文
- 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量
- 提高线路可靠性，某条路径故障可重新选择另一条路径传输
- 提高线路利用率，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，多个报文可共享信道
- 提供多目标服务，一个报文可同时发往多个目的地址
- 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态
报文交换缺点
- 实时性差，不是可传送实时或交互式业务的数据，存储转发时延
- 只适用于数字信号
- 由于报文长度无限制，对每个结点的缓冲区大小要求较高，尤其是线路较拥塞时
3、分组交换
分组：网络系统将数据分割为固定长度的小块进行传送，这种小块就是分组
分组 = 小数据块+控制信息（源和目的地址、编号等）
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
- 分组交换网中限制了所传输的数据单位的长度，一般选128B
- 发送结点首先对从终端设备传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
分组交换优点
- 无建立时延
- 线路利用率高
- 分组长度固定，简化了存储管理
- 加速传输，存储和转发可以并行操作
- 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，较少传输时延
- 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信
分组交换缺点
- 仍存在存储转发时延，且结点交换机必须具有更强的处理能力
- 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理时间
- 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，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
4、数据交换方式的选择
- 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时间时选择电路交换。电路交换传输时延最小
- 端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据
- 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换
- 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数据通信
七、数据报和虚电路方式
1、数据报方式
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
数据报方式特点
- 数据报方式为网络层提供无连接服务
- 同一报文的不同扽组达到目的结点可能发生乱序、重复与丢失
- 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
- 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，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
2、虚电路服务
虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点
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，不是物理连接）
连接服务，首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）传输系统分组，系列分组传输路径相同，传输结束后释放连接
虚电路方式特点
- 虚电路方式为网络层提供连接服务（逻辑连接）
- 一次通信的所有分组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，包含虚电路号，相对数据包方式开销小，分组不会乱序、重复、丢失
- 分组通过虚电路上每个结点时，节点只进行差错检测，不需要路由选择
- 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，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
3、数据报和虚电路方式
| 数据报服务 | 虚电路服务 | |
|---|---|---|
| 连接的建立 | 不要 | 必须有 |
| 目的地址 | 每个分组都要有完整的目的地址 | 仅在建立连接阶段使用，之后仅需要虚电路号 |
| 路由选择 | 每个分组独立地进行路由选择 | 属于同一条虚电路地分组按照同一路由转发 |
| 分组顺序 | 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 |
| 对网络故障地适应性 | 出故障地节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输 | 所有经过故障节点地虚电路均不能正常工作 |
| 对网络故障地适应性 | 出故障地节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输 | 所有经过故障结点地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，不保证数据包的可靠性 | 可由分组交换网负责，也可由用户主机负责 |
八、物理层传输介质
1、导向型传输介质
双绞线
- 屏蔽双绞线
- 无屏蔽双绞线
- 单模光纤
- 多模光纤
2、非导向型传输介质
无线电波
微波
红外线、激光
