計算機網絡Day02--物理層（一）

計算機網絡Day02–物理層

物理層基本概念

物理層考慮的是怎么才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸比特流，而不是具體的傳輸媒體

作用：盡可能屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異

用于物流層的協議也稱為物流層規程

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主要作用：解決計算機比特傳輸的問題，即透明的傳輸比特流，關心的是點到點的問題

透明傳輸：指不管所傳輸的數據是怎么樣的比特組合，都能在鏈路上傳輸

要盡可能屏蔽掉不同的傳輸媒體和通信手段的差異

信號類型：

銅纜：基于電平

光纖：基于光脈沖

無線：基于微波

物理層的主要任務

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數據通信系統模型

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常用術語

消息：如話音、文字、圖像、視頻等

數據：運送消息的實體，有意義的符號序列

信號：數據的電氣或電磁表現

模擬信號：代表消息的參數取值是連續的

數字信號：代表消息的參數取值是離散度

碼元：指在使用時間域的波形表示數字信號的時候，代表離散數值的基本波形

使用二進制編碼的時候只有兩種碼元：0 1 碼元

n進制的碼元可以表示log2 N bit的數據

數據通信

數據通信指數字計算機或其他數字終端之間的通信。一個數據通信系統主要劃分為信源、信道和信宿三部分

信源是產生和發送數據的源頭。信宿是接收數據的終點，它們通常都是計算機或其他數字終端裝置，發送端信源發出的信息需要通過變換器轉換成適合在信道上傳輸的信號，而通過信道傳輸到接收端的信號先有反變換器轉換為原始信號，再發送給信宿

信道：一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，是信號的傳輸媒介。一個信道可以視為一條線路的邏輯部件

模擬信道：適合傳輸模擬信號

數字信道：適合傳輸數字信號

三種通信基本方式：

單向通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道

半雙工通信：通信的雙方都可以發送消息或接收消息，但不能同時都發送消息或接收消息，需要兩條信道

全雙工通信：通信的雙方可以同時發送和接收消息，也需要兩條信道

基帶信號（基本頻帶信號）

來自信源的信號，直接表達了要傳輸的信息的信號

基帶信號包含較多的低頻成分，甚至有直流成分，并不能直接在信道上傳輸，我們需要對基帶信號進行調制

調制

基帶調制：僅對基帶信號的波形進行變換，把數字信號轉換為另一種數字信號（例如提高振幅）一般法稱為編碼

帶通調制：使用載波進行調制，將基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻道，并轉為模擬信號，經過載波轉換后的信號稱為帶通信號（指僅在一定范圍內能通過信道）調制默認的是帶通調制

載波：載波（carrier）可以從字面理解，就是搭載信息（調制信號）的信號。打個比方：信息（調制信號）是貨物，載波就是一艘船。搭上這艘船，信息（調制信號）就可以遠行了–它們的目標，是星辰大海

基帶信號將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示，然后送到數字信道上傳輸（稱為基帶傳輸）

傳輸的是基帶信號，適合短距離傳輸

大多數局域網使用的是基帶傳輸，如以太網、令牌環網

頻帶傳輸，將基帶信號經過調制后送到模擬信道上傳輸

傳輸的是帶通信號，適合遠距離傳輸

常用的編碼方式

外同步法：外同步的方法是，發送端發送數據之前先發送同步時鐘信號，接收方用這一同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率，以此來達到收發雙方位同步的目的；自同步法：接收方利用包含有同步信號的特殊編碼（如曼徹斯特編碼）從信號自身提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率，達到同步目的。

不歸零制：正電平代表1，負電平代表0

可以進行自同步

歸零制：正脈沖代表1，負脈沖代表0

需要進行外同步

曼徹斯特編碼：位周期中心向上跳代表0，向下跳代表1（波形固定）。以太網使用

差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終沒有跳變。位開始邊界有跳表示0，而位開始沒跳表示1（波形不固定）。令牌環網使用

由于每個碼元的中間都出現電平跳變

信號頻率

缺點：曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高

例如：曼徹斯特編碼相比于不歸零編碼，需要更多的變換才能傳送一個信號

自同步能力

不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率，歸零制、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼具有自同步能力

常見的帶通調制方法

調幅（AM）：載波的振幅隨基帶數字信號變化

調頻（FM）：載波的頻率隨基帶數字信號而變化

調相（PM）：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化
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正交振幅調制（QAM）：一種多元制的振幅相位混合調制，以達到更高傳輸速率

信道的極限容量

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任何實際的信道都是不理想的，都不可能以任意高的速率進行傳輸

碼元的傳輸速率越高，或信號的傳輸距離過遠，或噪聲干擾過大都會導致，或傳媒質量過差都會導致失真會越嚴重

限制碼元在信道傳輸速率的兩個因素

信道運行通過的頻率范圍（信道帶寬）

信噪比

信道的頻道越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾

碼間串擾：接收端收到信號失去了碼元間的清晰界限

奈氏準則：碼元傳輸的最高速率=2W（碼元/秒）

在帶寬為W （Hz）的低通信道中，若不考慮噪聲影響在，則碼元傳輸的最高速率是2W（碼元/秒）。傳輸速率超過此值會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的判斷成為不可能

信噪比

噪聲存在于所有電子設備以及通信信道中

噪聲是隨機產生的，它的瞬時值可能很大。因此噪聲會使得接收端對碼元的判決出現錯誤

但是噪聲的影響是相對的，如果信號相對較強，那么噪聲的影響就相對較低

信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位

即信噪比= 10 * log10(S/N)

例如：當S/N=10時，信噪比為10dB，S/N=1000時，信噪比為30dB
香農定理：給出了寬帶受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限數據傳輸速率，當用此速率進行傳輸的時候，可以做到不產生誤差

信道極限數據傳輸速率=wlog2(1+S/N) 單位（b/s）

信道的帶寬或信道內信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高

意義：只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能有辦法是吸納無差錯的傳輸

實際上信道的數據傳輸速率小于極限傳輸速率
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典型的交換技術

1電路交換

電路交換技術分為三個階段：

連接建立：建立一條專用的物理通路（由通信雙方之間的交換設備和鏈路逐段連接而成）

數據傳輸：主叫和被叫雙方互通電話（一直占用通信資源）

連接釋放：釋放剛才占用的物理通路（歸還通信資源）

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從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態的分配傳輸線路的資源。電路的交換的關鍵是，在數據傳輸的過程中，用戶始終占用端到端的固定的傳輸寬帶

3報文交換

數據交換的單位是報文，報文攜帶目標地址、源地址等信息。報文交換咋交換結點采用的是存儲轉發的傳輸方式

優點：

無需連接：報文交換不需要為通信雙方預先建立一條專用的通信線路。不存在建立連接時延，用戶可以隨時發報文

動態分配線路：當發送方把報文交給交換設備時，交換設備先存儲整個報文，然后選擇一條合適的空閑線路，將報文發送出去

提高線路的可靠性、利用率

提供多目標服務

缺點：由于數據要經歷存儲轉發的過程，因此會引發轉發時延報文

報文交換的大小沒有限制，所以要求網絡結點有較大的緩存空間

2分組交換（互聯網的核心）

采用存儲轉發，但解決了報文交換中大報文傳輸的問題，分組交換限制了每一次傳送的數據塊大小的上限，把大的數據塊劃分為合理的小數據塊，再加上一些必要的控制信息構成分組。網絡結點根據控制信息把分組送到下一個結點，下一個結點接收到分組后，暫時保存并排隊等待傳輸，然后根據分組控制信息選擇它的下一個結點，直到達到目的結點。接收端收到報文后剝離首部得到還原成原來的報文

分組在互聯網中的轉發

位于互聯網核心部分的路由器負責分組轉發，即進行分組交換

根據首部中含有的目標地址，源地址等重要信息進行轉發

每一個分組在互聯網中獨立選擇傳輸路徑

路由器要創建和動態的維護轉發表