（*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 1 物理层和数据通信系统

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前言

本系列属于全国计算机技术与软件专业技术资格考试（软考）中级网络工程师的长期更新文章，我会将学习的知识整理出来，不仅能巩固知识也能给有需要的小伙伴带来我的备考过程。

一、OSI模型

为了更好理解网络体系，对网络体系进行了分层，国际标准化组织ISO提出了一个模型：开放系统互连参考模型，即OSI模型。
OSI模型通过分层将计算机网络从低到高分为一个七层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

二、TCP/IP模型

在OSI模型中七层协议（协议是水平的，服务是垂直的，本层服务实体只能看到服务而不能看到协议，即要实现本层协议还要需要其下一层提供的服务）由于过于复杂，所以现在通常使用的是TCP/IP模型。
该模型分为四层协议，即四层：网路接口层（物理层、数据链路层）、网际层（网络层）、传输层、应用层（会话层、表示层、应用层）。
当然为通过结合两种模型的优点，也可以将网络体系称为五层模型，即将网络接口层拆开，形成五层协议的网络体系结构，如下：

应用层（会话层、表示层、应用层）
传输层
网络层
数据链路层
物理层

三、物理层

（一）物理层的定义

物理层，为数据链路层提供建立、传输、释放所需的物理链接（也可以理解为数据端设备提供传送数据的通路），且直接面向原始比特流的传输，其传输单位为比特（bit），是一个二进制位，即1或0。

（二）物理层的特性

物理层的主要任务就是确定与传输媒体接口相关的特性，有以下四个特性：
机械特性（规定接口的外形、大小、排列、位置等等）
电气特性（规定接口上线路的电压范围）
功能特性（规定某条线路上某一电平的电压的意义）
过程特性（规定不同功能的可能事件的出现顺序）

（三）物理层的组成部分

物理层的组成部分有数据终端设备（DTE）、数据通信设备（DCE）和互连设备。
数据终端设备用于提供和接收设备，例如路由器、PC、终端等等。
数据通信设备用于在数据终端设备和传输线路间提供信号变换和编码功能，并负责链路的建立、传输、释放，例如CSU/DSU（信道服务单元/数据服务单元）、广域网交换机等等。
即我们要知道DCE是为DTE服务的，两者区别是DCE设备提供时钟，而DTE不提供。

（四）数据通信系统

1、数据通信系统的定义和组成

数据（数字）通信系统分为三个部分，即源系统、传输系统和目的系统，也可以这样说一个通信系统必须具有三个基本要素：信源、通信媒体和信宿。
信号是数据电气、电磁或光信息的表现，根据信号中代表信息的参数取值方式可以分为两类：
模拟信号（信息的参数取值是连续的），也可以称作连续信号。
数字信号（信息的参数取值是离散的），也可以称作离散信号。
信号的传输，需要通道，即信道，数据通信系统模型可以这样概况，首先信号是要将源点（信源）产生的数字比特流其通过编码才能发送，即经信源编码器后输入数据至信道编码器，通过发送器经传输介质发送信号，该信号由接收方的接收器接收后，送至信道解码器进行解码，将输出的数据至信源解码器，还原由信源产生的数字比特流至信宿使其显示出来，另外在传输系统中，其传输介质受到噪声影响。

通信系统中各种设备以及信道中所固有的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。

其中的信源编码器是进行模/数转换（A/D转换），当传输的信息为文本、图片、音频等时，即模拟信号转换为数字信号，由于计算机或终端产生的数字信号的频谱都是从0开始的，所以也把组织未经调制的信号所占用的频率范围叫做基本频带，即为基带。将基带划分为多个频带的方式可以将信道分解成多个信道，且每个信道都可以携带不同的信号进行传输，称为宽带传输。
信源解码器与信源编码器相反，是个逆过程，它进行数/模转换（D/A转换），将数字信号或模拟信号转换为其原来的形式。

2、通信系统主要性能指标

（1）波特率和比特率

在数据通信系统中，其有效性可以通过码元传输速率和信息传输速率来表示，在使用时间域的波形表示数字信号中，代表不同离散数值的基本波形称为码元。
波特率（码元传输速率）是指在单位时间内载波参数（频率、相位、振幅等）变化的次数，也可以说是单位时间传送码元的个数，用波特，即B表示。
比特率（信息传输速率）是指单位时间内在信道上传送的数据量，因为是比特流，也可以说在单位时间内传送的比特数，用比特每秒表示，即b/s或bps。
总结一下，码元传输速率对应波特，信息传输速率对应比特。
其中波特率和比特率之间，有以下公式：
公式中，M是进制，也可以称为码元总类数，我们可以知道，当M越大，信息传输速率就越高，且当M=2，即为二进制时，信息传输速率等于码元传输速率。

例、已知一个数字系统在125μs内传送了250个16进制码元，求其码元速率Rs和信息速率Rb。

（2）通信系统的有效性和可靠性

在比较通信系统的有效性时，不仅要比较其传输速率、码元传输速率，而最有效的指标是频带利用率，即传输中每宽（每赫兹）内的传输速率，如下公式：

在比较通信系统的可靠性时，需要通过差错率来表示，差错率分为误信率和误码率，如下公式：

例、已知一个数字系统在125μs内传送了250个16进制码元，且两秒内接收端接收到3个错误码元，求其误码率。

3、香农公式、尼奎斯特定理

带宽是在传输过程中信息不会明显减弱的一段频率范围，单位为赫兹，对于模拟信道，其带宽公式如下：

噪声存在所有的电子设备和通信信道中，信噪比，顾名思义就是信号功率与噪声功率的比值，表示为S/N，用分贝（dB）作为度量单位，公式如下：

因为有噪声，所以信道的传输速率，可以这样表示：
在有噪声的情况下，可用香农公式来计算信道的极限数据传输速率，设信道的极限数据传输速率为C，W为带宽，公式如下：

香农公式表明，当信道的带宽或信道中的信噪比越大，信道的信息极限传输速率就越高。
在无噪声的情况下，可用尼奎斯特定理来计算信道的最大数据传输速率，W为带宽、B为波特率，N是进制（码元总类数），公式如下：

4、调制与编码

在数据传输中，模拟数据和数字数据与模拟信号和数字信号的转换的问题就要用到调制和编码。
由于基带信号中有许多低频成分和直流成分，在信道是无法传输这种信息，这时候就要用到调制，即使用模拟信号承载数字或模拟数据。
编码与其相反，它是使用数字信号承载数字或模拟数据，通过对基带信号编码，可以让每一个码元携带更多比特的信息量。

（1）调制

调制分为两类，一类是对基带信号波形进行变换，使其能适应信道的特性，称为基带调制，变换波形后信号仍然是基带信号，只是改变了其形式。
另一类是带通调制，它是使用载波进行调制，将基带信号的频率范围进行迁移至较高频段，并转为模拟信号，由于迁移的是频率范围，也称为频带调制。
①模拟信号调制为模拟信号的调制：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM），它们都是更具原始信号的变化来调整相应的参数。
②数字信号调制为模拟信号的调制：
若调制信号是二进制数字基带信号，则称为二进制数字调制，有如下的二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）。
通过辐移键控（ASK）使载波幅度随基带信号变化而变化，即对相应的数据流的波形变化，ASK波形也有相应的变化，其中1和0时的ASK波形的表示方式可以相反。
2ASK信号的产生方式有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法，分别是由乘法器和开关电路实现的，且2ASK信号由两种基本的解调方法，分别是非相干解调和相干解调，但总的来说2ASK的缺点是任意受到噪声影响，会导致其二进制状态混乱。
通过频移键控（FSK）使载波频率随基带信号变化而变化，它可以视为两个不同载频的ASK的叠加，其中2FSK适用于衰落信道（如短波无线电信道）。
通过相移键控（PSK）使载波相位随基带信号变化而变化，其中有使用一个载波相位表示一个信息位（BPSK），也有使用多个载波相位表示多个信息位（高阶PSK），而高阶PSK中又有4PSK、8PSK、16PSK等等，它们都是有多少个输出相位来表示多少个输入位。
另外还有相对相移键控调制（DPSK），它有2DPSK和4DPSK两种主要的调制方式，是根据信号的初始相位是否变化来传输的。
也可以通过结合以上的振幅、频率和相位调制方式来进行调制，比如正交幅度调制（QAM），这样可以使频带利用率提高，常见的有4QAM、8QAM、16QAM等等，它们前面的数字表示有多少种符号的QAM调制方式。

（2）编码

i、数字信号调制为数字信号的调制方法有：
通过极性编码，即正负电平和零电平来表示的编码，它分为极性码（使用两个电平，正电平表示0，负电平表示1）、单极性码（使用两个电平，正电平表示0，零电平表示1）、双极性码（使用正负电平和零电平三个电平，零电平表示0，正负电平之间轮回交替表示1），如下表格：

极性编码	正电平	负电平	零电平
极性码	0	1	×
单极性码	0	×	1
双极性码	1	1	0

通过归零码和不归零码，其区别是归零码中信号有电平变化的过程，而不归零码其电平保持不变，归零码中信号从正到零电平表示0，从负到零电平表示1；不归零码中正电平表示1，负电平表示0，其与归零码相反，如下表格：

	是否有电平变化	正电平至零电平	负电平至零电平
归零码	√	0	1
不归零码	×	1	0

通过双相码，其每一位都有电平翻转，信号从正到负电平表示1，从负到正电平表示0，其中曼彻斯特编码是一种双相码，但是其信号可以从正到负电平表示1、从负到正电平表示0或也可以信号从正到负电平表示0、从负到正电平表示1，其编码效率只有50%。差分曼彻斯特编码也是一种双相码，相对简单其有电平变化时表示0，没有变化时表示为1。
通过mB/nB编码，即将m位比特编码成n位比特编码的方式，用于高速率的局域网和广域网中。
ⅱ、模拟信号编码为数字信号的方法：
脉冲编码调制（PCM），其过程分为采样、量化和编码（使用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值）。即要使模拟信号经过数字通信系统进行传输，首先要对模拟信号进行模-数转换（A-D转换），将模拟信号转变为数字信号，最后还有模-数转换（D-A转换），脉冲编码调制过程包括抽样、量化和编码三个步骤。
①经抽样，模拟信号变为抽样信号，也称为离散模拟信号，因为它时间上是离散的，但取值仍是连续的。这个过程中将模拟信号编程时间上离散的信号，必须要遵循奈奎斯特采样定理，即抽样频率要大于等于模拟信号频谱中最高频率的两倍。

奈奎斯特定理在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍；采样定理又称奈奎斯特定理。

②经量化，其取值变为离散的，抽样信号变为数字信号，根据电平幅度分级离散，使用事先规定的一组电平值来代替最接近的电平值，可以看作为多进制的数字脉冲信号，且其中电平值通常使用二进制表示。
③将量化的数字信号进行编码，将信号变成二进制码元，即用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。
因为量化过程是与编码过程是同时进行的，所以编码过程也称为模-数转换（D-A转换），通常使用差分脉冲编码调制进行压缩编码，它的传输效率较高。

5、数据传输方式

数据传输方式可以按不同类型分为以下几类，如下：

（1）按信号类型分类

按信号类型可分为模拟通信和数字通信。
模拟通信是以模拟信号传输信息的通信方式。它是利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，例如电话通信就是一种常见的模拟通信。
数字通信是以数字信号作为载体来传输信息，或用数字信号对载波进行数字调制后再进行传输，例如电话和电视它们的模拟信号经数字化后，再进行数字信号的调制和传输，即称为数字电话和数字电视。

（2）按一次传输的数据位数分类

按一次传输的数据位数可分为串行通信和并行通信。
串行通信是在一条数据线上数据一位一位地依次传输，且每一位数据都有一个固定的时间长度，例如USB（通行串行总线）等等。
并行通信是指一组数据的各数据位在多条数据线上同时进行传输，例如打印机并口线、磁盘并口线等等。

（3）按信号传送的方向与时间关系分类

按信号传送的方向与时间关系可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。
单工通信是指只能单方向通信，比如无线电广播、有线电广播、有线电视等等。
半双工通信和单工通信相比，可以说它是可以切换方向的单工通信，其通信双方都可以同时发送信息，但不能同时发送或同时接收，这种通信一般是一边发送，一边接收，或者也可以反过来，比如对讲机就是一个例子。
全双工通信是指通信双方都可以同时发送和接收信息，其通信传输效率最高。
另外单工通信只需要一条信道即可通信，而半双工通信和全双工通信需要两条信道，如下：

（4）按数据的同步方式分类

按数据的同步方式可分为同步通信和异步通信。
同步通信的前提是通信双方首先要建立同步，即双方时钟要是一样的频率，其通信是采用一种连续串行的方式来传输数据，每次只传输一个信息帧（信息帧是含有若干个数据字符，由同步字符、数据字符和校验字符组成）。
同步通信也分为两种，一种是全网同步，全网同步是用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步；另一种是准同步，它是使用其他措施来对允许微小误差的各结点时钟进行同步。
异步通信中其发送、接收双方由各自的时钟控制数据的发送和接收，且它们是独立、不同步的。发送方发送字符时，必须在每一个字符前和后的地方做上标记，即加上起始位和终止位，字符中还有校验位和数据位，这样才能正确地接收每一个字符，即异步通信中数据是以字符或字节为单位从而组成字符帧进行发送的。
异步通信的传输速率有以下公式：

6、数据交换方式

数据交换方式主要分为电路交换、报文交换、分组交换和信元交换。
电路交换是指先建立主呼叫和被呼叫之间的连接，然后建立通信，结束通信时释放整个链路，其优点是时延小，但链路的空闲率高，不能差错控制。
报文交换是指将把要发送的信息组成一个报文（数据包），其中报文内有目标结点的地址，然后使其在网络中一站一站地传送，其中每一个站点接收整个报文并进行检查目标结点地址，然后根据网络的拥塞情况，适当地传送岛下一个站点，其优点是不用建立专用通路，且可以校验，并可以将一个报文进行多个目标结点的发送，但由于其传送目标结点中的中间结点需要先存储，导致其时延大。
分组交换是确定最大报文长度进行传输的，它分为数据报交换和虚电路交换，：
数据报交换其每个分组都携带完整的源和目的结点的地址，且都进行独立的传输，每当经过一个中间结点，会根据一定的路由选择算法计算出最佳的传输线，最后传输至目标结点，其优点是不需要建立连接，并且是独立进行传输的，但其可靠性较差。
虚电路交换，是指先建立一条逻辑通道，即虚电路，所有报文沿通道传输，传输完毕后还要释放该虚电路，适合远程控制和文件传送，比如帧中继、ATM、X.25等等，相对数据报交换，其优点是它可以流控和差错控制，提高了可靠性，但不如数据报交换灵活。
信元交换，也称为异步传输模式，面向连接，是结合电路交换和分组交换的优点进行的一种传输方式，即通过建立虚电路进行传输，它具有延迟小、灵活的优点。

7、信道复用技术

信道复用技术的含义是将发送端发送的信号组合成一组信号，在一条专用的信道上传输给接收端，接收端再将组合的信号分离开，其中复用器和分用器是成对出现的。

（1）频分复用（FDM）

频分复用是将多路信号依频率分开，但仍在同一个信道传输，即频分复用的用户在同样的时间占用不同的频带带宽，比如宽带有线电视、无线广播、ADSL、无线局域网等等。

（2）时分复用（TDM）

时分复用分为同步时分复用和统计时分复用：
同步时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带带宽，与频分复用相比，其每一个用户占用的时隙是周期性出现的，即一个TDM帧（时分复用帧）的长度，它是固定时隙的时分复用，且时分复用更有利于数字信号的传输，比如E1、T1、SDH/SONET等等。
统计时分复用是改进的同步时分复用，通过动态地分配时隙来传输数据，它可以明显地提高信道的利用率，比如ATM等等。

（3）波分复用（WDM）

波分复用是光的频分复用，光纤技术的应用使数据传输速率得以提高，波分复用是指将整个波长频带划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围进行传输，可以说它是特殊的频分复用。