计算机网络第二章-物理层

本章知识结构

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是考虑连接计算机的具体物理设备或具体物理媒体。

一 通信基础

1.基本概念

1.数据、信号与码元
数据是指传送信息的实体。

信号是指数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

码元是指用一个固定时长的波形(数字脉冲)表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，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。1码元可以携带多个比特信息量。

码元是什么？

一个码元就是一个脉冲信号,波特率指的就是1秒能发送多少个码元，也就是1秒能发送多少个脉冲信号.
思考：

数据通信中，为什么说码元取4个离散值,则一个码元携带2bit信息？

解答：码元取4个离散值，说明一个码元是用一个4进制代码表示的，一个四进制代码的信息量是2bit。（1个M进制数所带信息量是 $log_2M$这么多比特,这涉及信息量的概念，一般是在等概率的情况下进行计算 ）

2信源、信道与信宿
数据通信指的是数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道与信宿。

信道与电路并不相同，信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某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。

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）；宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上传输（称为宽带传输）。

从通信双方信息的交互方式来看，通信可分为三种基本方式

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名称	含义
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。广播就是单工通信
半双工通信	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信息，此时需要两条信道。
全双工通信	通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

3.速率、波特与带宽
速率也称数据率，指的是数据的传输速率，它表示单位时间内传输的数据量。

1）码元速率，也称波形速率，调制速率，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。这里的码元可以是二进制的，也可以是多进制的。但是码元速率与进制数无关。

2）信息速率，也称比特率，它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），单位是波特/s。

带宽原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹。在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。因此，带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，此时单位是b/s。

2.奈奎斯特定理与香农定理

1.奈奎斯特定理
奈奎斯特定理又称奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位是Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元），则极限数据率为
$理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog_2V (b/s)$

比如有16种不同的码元，即V=16，需要 $log_216=4$位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍。

奈氏准则得出以下结论

奈奎斯特定理
1）在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若超过此上限会出现码间串扰问题
2）信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。
3）未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携带更多个比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法。
2.香农定理
香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理的定义为
$信道的极限传输数据率=Wlog_2{(1+\frac{S}{N})} (b/s)$
式中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。

对于香农定理，可以得出以下结论：

香农定理
1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
2）对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
3）只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错传输
4）香农定理得出的是极限信息速率，实际上信道能达到的传输速率要比它低不少

3.编码与调制

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
分为四种情况
1.数字数据编码为数字信号

2.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。

3.模拟数据编码为数字信号

4.模拟数据调制为模拟信号

4.电路交换、报文交换与分组交换

1.电路交换
在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。因此电路交换包括三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。

2.报文交换
数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常倍较先进的分组交换方式代替。

3.分组交换
分组交换和报文交换一样，采用存储转发方式，但是解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等）构成分组（packet）。网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。

5.数据报与虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，可以进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都是由网络层提供的。要注意的是：数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。

1.数据报
端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（也就是网络层PDU）。中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可走不同的路径，也可以按照不同的顺序到达目的结点。

数据报服务的特点

2虚电路
在分组发送之前，要求双发建立一条逻辑上相连的虚电路，并且一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中其他虚电路。

虚电路方式的特点

数据报服务和虚电路服务的比较

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不需要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
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	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输	所有经过故障结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，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

二 传输介质

1.双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

传输介质也称为传输媒体，它是发送设备和接收设备之间的物理通路。
1.双绞线
2.同轴电缆

同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。同轴电缆通常分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆，其中50Ω主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，在局域网中应用广泛。75Ω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，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但是价格较双绞线贵。

3.光纤
光纤通信原理是光的全反射。
多模光纤：从不同角度入射的多束光线可在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤，多模光纤的光源为发光二极管。多模光纤只适用于近距离传输。

单模光纤：光纤的直径减小到仅有一个光波长度时，光纤就像一根波导一样，可使光线沿直线传播，不会产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的光源采用定向性好的激光，适合远距离传输。

4.无线通信介质

2.物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不指具体的传输媒体。物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层只需考虑本层的协议和服务。物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

特性	描述
1）机械特性	主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等
2）电气特性	规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
3）功能特性	指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，接口部件的信号线的用途
4）规程特性	主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系

常用的物理层接口标准有

物理层接口标准
EIA RS-232-C
ADSL
SONET/SDH

三 物理层设备

1.中继器

中继器又称转发器，主要功能时将信号整形并放大，以消除信号经过一长段电缆后，因噪声或其他原因造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。其原理使信号再生（而不是简单地将信号放大）。

中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分(比如电压高低)，而不管数据中是否有错误数据或不适用于网段的数据。

中继器使局域网环境下用来扩大网络规模的最简单的、最廉价的互联设备。使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。但是由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网，中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。

“5-4-3规则”：在采用粗同轴电缆的10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两端只能用作扩展通信范围的链路段，不能直接挂接计算机。简记为：3段挂接计算机-4个中继器-5段通信介质

2.集线器

集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器，它也工作在物理层。当集线器工作时，一个端口接收到数据信号好，由于信号在从端口到集线器的传输过程中已有衰减，所以集线器便将该信号进行整形放大，使之再生到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。

参考资料
计算机网络考研复习指导-王道