物理层任务
- 屏蔽各种传输介质 ( 双绞线 … ) 和 通信手段。
- 规定物理连接的 特性
- 机械 ( 接口形状 )
- 电气（电压范围 )
- 功能 （电平意义 如: 0V 表 0 5V 表 1 )
- 过程( 不同功能出现事件顺序 )
- 由于传输介质、通信手段、物理连接方式很多 故物理层协议多
- 常见物理层协议:
- RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5
数字通信
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数据通信模型: 信源 传输 信宿
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通信、消息、数据、信号、码元 区别
- 通信的目的: 传输消息
- 消息: 各种 声音、 文字、 图像
- 数据: 运输 消息的由有意义字符序列构成的实体
- 信号: 数据的电磁表现 可分为 连续模拟信号 离散数字信号
- 码元: 一个固定时长( 码元宽度 )的信号波形，表示一个K进制数字，可以包含多比特数据，二进制2种码元 ， 表示 0 、 1
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传输速率: 单位时间传输的数据量
- 码元传输速率: 又称波形速率 ， 单位时间传输码元个数 ， 单位波特( Baud ) ， 此码元是多进制 ，但码元速率与进制无关
- 信息传输速率: 单位时间传输二进制码元的个数，单位 比特/秒
- 码元速率对于的信息速率 M×n bit/s ( M个码元 一个码元表示n位二进制数据 )
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** 波特、比特区别 **
- 波特: 设备每秒钟发生信号变化的度量，每秒传播的码元数，可以负载多个比特位
- 比特: 每秒钟传输 二进制数据位数
- 波特->K进制码元 或指电压变化量 比特->二进制位数 或指数据传输量
- 比如在数字通信中，0V表示0 5V表示1 一个码元表示一个二进制数，比特速率=波特速率，又叫两相调制
- 比如在数字通信中，0V表示0 2V表示1 4V表示10 6V表示11 一个码元表示两个二进制数，比特速率=2波特速率，又叫四相调制
比特和波特有什么区别？-百度知道
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带宽: 线路所能传输的最大数据量 单位: b/s
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信道: 向某方向发送信息的媒体
- 交互方式: 单工( 收音机 )、半双工( 对讲机 )、全双工( 电话 )
- 调制: 计算机输出的信号为低频基带数字信号 无法在线路中传输 需要转换为另一种可以传输的信号，转换为模拟信号 叫 调制 ，数字信号 叫 编码
- 调制分类
- 1.**设备数字发送器(数字->数字)**基带(基本频带)调制(又叫编码): 将数字信号波形调整转换为另一数字信号
- 常见编码方式
- 不归0: 正电平 1 ， 负电平 0 ** 无法判断码元开始结束 无法同步 不抗干扰**
- 归零码: 正脉冲 1 ， 负脉冲 0
- (** 以太网 )曼码: 位中心 向下 跳变 1，向上 0 ** 频带宽度是原始基带宽度2倍 跳变可以同步时钟 抗干扰
- 差分曼码: 位开始边界 无跳变 1 ，有 0
- 4B/5B: 将发送4位数据 ， 将其转为5位 ，只利用其中16中组合 其余用作 控制码
- 口诀: 归不归0 正1 负 0 无同步；曼下差不跳 为1 曼上差跳 为 0 有同步
- 常见编码方式
- 2.(数字转模拟) 设备modem 带通( 尽在一定频率范围通过信息 )调制: 将数字基带信号 使用载波 将低频数字信号 转移到 高频模拟信号
模拟信道与数字信道的区别？-知乎- 常见调制方法
- ASK【调幅】改变振幅 不抗干扰
- FSK【调频】 抗干扰 广泛使用
- PSK【调相】
- QAM【正交调幅调相】将ASK、PSK结合 形成叠加信号
R=Blog2(mn)* （单位 b/s）
R 比特速率 ， B 码元波特率 ， m相位 ，n每个相位包含n个振幅
2ASK 代表2进制调幅
下图为2进制调制方式:
- 3. (模拟转数字) PCM脉码调制
应用在音频
使用 尼奎士特采样定理
过程1：采样 周期扫描 将模拟转换为离散信号 频率必须为带宽(最高频率-最低)的2倍才能不失真
过程2 : 量化 采样取得的电平幅值分级转化为数字
采样+量化 就是 分割+转换
过程3 : 编码 量化后结果转换为二进制编码 - 4. (模拟转模拟) 设备放大器
对模拟信号进行载波到高频 或者 复用信道 提高信道利用率
- 1.**设备数字发送器(数字->数字)**基带(基本频带)调制(又叫编码): 将数字信号波形调整转换为另一数字信号
- 调制分类
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信道极限容量 ( 由于带宽限制、噪声、干扰、失真 导致无法到达通信极限)
- 无噪声 有限带宽 的 尼奎斯特定律
理想低通信道下极限数据传输率=2Wlog2V 单位( b/s)
W 理想低通信道带宽 单位 Hz ; V 码元个数(离散信号个数)
最大波特率B=2W 比特=波特率Xlog2V
当指出码元与数据位关系（比如 二进制信号）就需要同时考虑 尼奎士特和香农定律 取两者下限- 为何2倍带宽? 答: 最小极限值 保证采样后可以恢复 不发生混频
奈奎斯特给出B=2*H,波特率的极限值是信道带宽的两倍 - 公式结论:
- 信道数据传输率有上限，超过会码间串扰，无法识别信号
- 带宽与信道数据传输率正比
- 给出了限制码元传输的因素带宽，未给码元承载二进制位数量限制，使用多元调制方法，一个码元携带多的数据位
- 为何2倍带宽? 答: 最小极限值 保证采样后可以恢复 不发生混频
- 有噪声 有限带宽 的 香农定律
信道极限传输速率=Wlog2(1+S/N)
W信道带宽 S/N 信噪比 - 结论:
- 信噪比与传输速率正比
- 在带宽、信噪比一定下，传输速率有上限
- 只要低于极限，就可以实现无差错传输 所以可以让每个码元携带更多比特信息
同样的波特速率 可以发送更多比特信息 - 码元包含的二进制位是有限的
- 尼奎士特 与 香农 区别
- 尼 指明带宽 码元数 与 信道传输速率关系 2W给出了最大波特率(码元速率) 没指出码元承载二进制位数量限制
- 香农 指明带宽 信噪比 与 信道传输速率关系 指出码元承载二进制位数量有限制
- 信噪比: 信号功率与噪声功率比 单位(db)
信噪比 = 10log10(S/N)
使用db来表示 为的是实际中 信噪比很大 如果直接使用S/N 不便于书写会有很多位如100000000=80db
- 无噪声 有限带宽 的 尼奎斯特定律
-
电路、报文、分组交换
| 交换方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 电路 | 有序 独占 无冲突 实时低延迟 简单 | 建立释放连接长 占用资源利用率低 单点故障 不可靠 |
| 报文 | 无须建立连接 可靠 线路利用考虑高 | 失序 重复 需要很多缓存大小 发送 排队 处理 转发 有延迟 |
| 分组(对报文拆分) | 无须接收方有很大缓存 | 时间延迟 头部开销 失序 重复 丢失 |
当前网络通信采用 存储转发 分组交换
- 分组交换之 面向连接的虚电路 无连接的数据报交换方式**(网络层提高的服务)**
- 虚电路: 将分组交换+电路交换 组合 需要进行连接建立、释放 使用虚电路号进行交换
- 数据报: 每次转发的路径不固定 具有冗余网络链路 可靠 但是 时延大
| 数据报服务 | 虚电路服务 | |
|---|---|---|
| 目标地址 | 每个分组都有完整目标地址 | 仅在建立阶段使用 而后分组都是要短小的虚电路号 |
| 是否建立连接 | 否 | 是 |
| 是否需要路由选择 | 是 | 否 |
| 分组顺序 | 可能乱序 | 有序 |
| 可靠性 | 主机保证 | 网络保证 |
| 故障率 | 低 | 高 单点失效 |
| 差错处理和流量控制 | 主机负责 | 交换网、主机都可以负责 |
传输介质
- 引导性( 有线 )
- 双绞线: 2条铜线进行铰接而成，根据线路铰接密度，密度高，线等级 和 带宽也越大，抗干扰能力越大；根据是否加屏蔽网，分为 UTP非屏蔽线、STP屏蔽线。
频率越大，越容易衰减；导线越粗，可以降低衰减
100BASE-T 快速以太网 采用5类双绞线 带宽100Mb
优点: 便宜
缺点: 传输距离短，模拟信号必须使用放大器，数字信号使用中继器整形，才能长距离不失真传输 - 同轴电缆( 有线电视网 采用)
带宽可达 1GHz
分类：50Ω 基带数字电缆 用于基带信号传输；75Ω 宽带同轴电缆 用于电视网
优点: 抗干扰 传输距离远 ，缺点: 贵于双绞线 - 光纤: 采用光信号传输信息 有光1 无光0
由于光的频率极高108Hz 带宽极大
当光从折射率高介质进入折射率低介质的，折射角>入射角
入射角足够大将出现全反射，即光线当碰到包层就会立即被折射回纤芯
| 多模 | 单模光纤 | |
|---|---|---|
| 入射光线 | 多条 | 单条 |
| 发光源 | 发光二极管 | 激光发生器 |
| 线直径 | 大 | 极小 |
| 发送距离 | 较远 | 远 |
| 带宽 | 较大 | 大 |
| 成本 | 低 | 高 |
- 非引导性( 无线)
- 短波: 可通过大气电离层进行反射的高频电波，广泛用于广播通信 ，传播距离远，窄带传输
缺点: 由于电离层的不稳定产生多径效应，造成信道从不同路径到达目的站，产生不同的衰减和失真 - 无线电微波: 不被电离层反射，直线传播的2-40GHz的电波，带宽大，延迟高
传输方式:- 地面微波接力 但必须2站可以通视，即无障碍物
- 卫星通信 两地面站通过一颗卫星通信延迟RTT为270ms 3颗卫星就可以覆盖全球
民用无线电波: 2GHz、5GHz
- 红外线/激光
信道复用
频分复用FDM
- 定义: 对信道频率进行划分，使得多个数据可以同时发送，但是每个分到的数据带宽为1/共享数
时分复用TDM
- 定义: 将时间分为多个时间间隙，每个数据占用固定周期(一个TDM帧只是比特流与数据链路层帧不一样)的时间间隙发送数据，每个数据的使用全部带宽。
- 缺点: 由于每个数据是占用固定周期的时间间隙，对于计算机通信这种突发特点，虽然当前这个时间间隙无数据发送，仍要空闲占用，信道利用率低
- 对缺点的改进: 统计时分复用STDM(谁发谁占)
当前各用于将发送数据放入发送缓存，复用器遍历取得数据，如果当前用户缓存为空就跳过，将获得的数据组合，只要可以形成一个STDM帧就发送，即每个用户使用的时隙不是周期的，** 但是每个用户只能间隙发送 **，不然发送缓存会溢出
波分复用WDM
- 定义: 又名光的频分复用，由于光的频率很高，就是要波长来表示不同光波
- 改进版: 密集波分复用 DWDM: 一条光纤复用多路光载波信号
码分复用CDM
- 定义: 为不同发射站在GPS帮助下同时分配不同的m位码片序列，比如分配一个8位的码片序列(00110011)，使用8位码片代表1,8位码片的反码(11001100)代表0，由此可以得出由于使用8位码片表示一位二进制数，发送的数据量增大8倍，发送速率(带宽)也必须增大，这一增大过程又叫扩频，扩频分为直接序列扩频、调频扩频。
- 为了识别不同站发出的信号必须明确以下性质
-
不同站分配到的码片序列 不仅不同 还必须正交
所谓正交满足以下公式：
S：S站的码片向量 T：T站的码片向量 m: 多少位码片序列不同站码片分配虽然不同但是保存1，0数量各一半
为了方便计算将0使用-1表示
计算过程:
S=[-1,-1,1,1,-1,-1,1,1]
P=[-1,1,1,-1,1,-1,-1,1]
m=8
SXT=1/8(s1Xs1+s2Xs2+…+smXsm)=1/8(1-1+1-1-1+1-1+1)=0 -
结论:
- 不同站的码片规格化内积为 0
- 向量S和其他站的码片反码规格化内积为 0
- 码片和码片本身的规格化内积为 1 即SXS=1
- 码片和码片本身的反码规格化内积为 -1
- 模拟CDMA识别不同站通信的过程
- CDMA就是采用CDM的移动通信标准
- S站的码元为110 使用码片序列(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)扩展为8个码片,得到Sx S站发送的扩频信号
- 同样T站 发送110 使用码片序列(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)获得Tx扩频信号
- 每个站都可以收到所有站发出的扩频信号，所有站的信号叠加Sx+Tx
- 打算接收的站获得待接收站的S的码片序列，
- 使用结论 2 3 4
- S*St获得的数据要么是1要么-1可以获得正确结果
- 而S*Tx 也就是其他站数据进行内积都得0
数字传输
- 历史: 早期通信干线采用FDM频分复用传输模拟信号，支线使用双绞线，但是后来数字传输比模拟传输，具有更好的质量和价格，大部分长途干线干线采用PCM数字传输。
- 数字传输虽然有优点 但是也存在缺点
- 速率标准不统一: 北美日本T1(1.544Mbps)、欧洲E1(2.048Mbps)
- 传输不同步，没有一个全网精确的时钟同步传输，无法实现各高速网互联
- 同步 异步传输区别
- 同步: 通信前必须时钟同步，一方发送，一方同步接收，这样可以获得较高的传输速率，但是控制较为复杂
- 异步: 一方发送的字符时间间隔可以任意，但是接收方必须时刻做好接收准备，发送方在一次发送前加开始标志，结束加结束标志也可使用帧为发送单位，帧首尾使用特殊的比特流界定，虽然简单，但是标志开销大
- 统一的解决方案
- 美国推出采用原子钟同步的SONET同步光纤网 一个速率标准针对光信号叫OC-1 电信号叫STS-1 对应T3/E3标准
- ITU-T 在SONET基础上开发出SDH同步数字系列 速率标准STM-1 对应SONET OC-3速率
- SONET 每秒传输8000帧，STS-1 每帧传输810B 即STS-1=80008108=51.84Mbps
- STS-2 仍然每秒传输8000帧，不过每帧传输的字节数变为2X810B，速率变为2倍，一次内容以STS-n是STS-1的n倍
- STS-3=OC-3=STM-1=155M
- OC-1=STS-1=55M=810个64Kbps话路
宽带接入技术（有线接入）
- 宽带 大于56Kbps的就叫宽带
ADSL(非对称)
- 对电话线进行改造，使得其可以传输网络数据 电话。主要特点是非对称，由于日常家庭使用多为下载数据，少上传数据，所以上行速率<下行速率
- 但是对于企业服务器需要大的上行带宽，响应用户，所以需要使用DSL对称的数字用户线
- 从端局拉一根用户线(铜线)来使用分离器(无源 不插电 断电也可以用)将电话、数据信号分离，一条接电话，一条连调制解调器Modem，将模拟信号转化为数字信号，用于上网，ADSL是独享宽带，是直接联接到机房的 不管用的人多还是少 速率固定
HFC
- 目前广泛使用的宽带接入技术比如说移动宽带，是在原有电视网上改造，主干线路采用光纤，到光纤节点转换为电信号，使用同轴电缆传递到各家，各家使用modem用于上网，同时使用机顶盒将数字信号转换为模拟信号好看电视。但是单宽是 共享的 用的人多就越慢
FTTx
- 更高速的采用光纤接入网络，电信宽带广泛使用，从光纤干线分出一条光纤到你家楼下的分光器，分为多条光纤入户，主要由于光纤速度快，远远超过普通用户的需求，所以几户共享一条光纤，更为划算。
物理层设备
- 物理层基本功能: 透明的发送比特流
- 中继器与放大器区别
- 中继器: 用于整形数字信号，扩大网络范围
- 放大器: 用于放大模拟信号，扩大网络范围
- 集线器(多端中继器)
- 有多个输入输出端口
- 543原则
- 对于中继器等物理层设备不能无限的连接来扩大网络，因为过多的连接导致延迟增大
- 对于100BASE-T 以太网规定，最多使用4个中继器连接5个网络段，只有3个段可以连接计算机
- 一些要点:
- 物理层设备 不能分割冲突域(网络中不能同时又两个设备发送数据，不然发送碰撞，都无法发送)
- 不能分割广播域 局域网采用广播发送消息，中继器除了不转发分组到输入端，其余端口都要转发到所连接线路
- 物理层进行连接中继器两端的网络速率必须一致，物理层的协议必须统一，但是更高层协议比如链路层可以不一样
- 为什么网络速率必须一致:
- 发送过快，接收方缓存会满，导致数据丢失；过慢会影响效率