Compilação de conhecimento sobre redes de computadores - Resumo do conhecimento da camada física (Guia de referência para primeiros passos em redes de computadores)

Capítulo 2 Camada Física

2.1 O que precisamos aprender sobre a camada física?

Na verdade, para os programadores, a camada física é transparente para as aplicações que desenvolvemos (o capítulo anterior mencionou que os detalhes dos serviços fornecidos pela camada inferior são transparentes para a camada superior), e a camada física envolve comunicação de dados. , portanto, precisamos apenas ter uma compreensão geral da camada física. É claro que os leitores interessados ​​podem estudá-la com mais profundidade.

2.2 Conhecimentos básicos de comunicação de dados

2.2.1 Termos comumente usados

No processo de aprendizagem da camada física, encontraremos muitos termos profissionais, a seguir estão alguns dos termos mais comumente usados.

• Dados: a entidade que transporta a mensagem.
• Sinal: A manifestação elétrica ou eletromagnética dos dados, que é a forma como os dados existem durante a transmissão.
• Sinal analógico: Os valores dos parâmetros que representam a mensagem são contínuos.
• Sinal digital: Os valores dos parâmetros que representam a mensagem são discretos.
• Elemento de código: Na comunicação digital, símbolos com o mesmo intervalo de tempo são frequentemente usados ​​para representar um número binário. O sinal dentro de tal intervalo de tempo é chamado de elemento de código (binário). Este intervalo é chamado de comprimento do símbolo. Vale a pena notar que quando os estados discretos de um elemento de código são maiores que 2 (por exemplo, M é maior que 2), o elemento de código é um elemento de código M-ário.

2.2.2 O conceito de canal

2.2.2.1 O que é um canal

Freqüentemente usamos um canal para representar um meio que transmite informações em uma determinada direção. Canais não são iguais a circuitos. Um circuito de comunicação geralmente contém um canal de envio e um canal de recepção.

2.2.2.2 Método de interação de informações

Do ponto de vista da forma como as duas partes na comunicação trocam informações, podemos dividir os métodos de interação de informações em três tipos:

• Comunicação simplex: Também conhecida como comunicação unidirecional, só pode haver comunicação em uma direção. (As transmissões de rádio sem fio (com fio) e as transmissões de televisão na vida cotidiana pertencem a este tipo).
• Comunicação half-duplex: Também conhecida como comunicação alternada bidirecional, a comunicação bidirecional é permitida, mas nenhuma das partes pode enviar e receber informações ao mesmo tempo. Neste caso, são necessários dois canais.
• Comunicação full-duplex: Também conhecida como comunicação simultânea bidirecional, ambas as partes na comunicação podem enviar e receber informações ao mesmo tempo. Neste caso, são necessários dois canais.

2.2.2.3 Limitar capacidade do canal

Qualquer canal real não é ideal. Ele produzirá várias distorções e causará várias interferências ao transmitir sinais. Quanto maior a taxa de transmissão do elemento de código, ou quanto maior a distância de transmissão do sinal, ou pior a qualidade do meio de transmissão, pior a distorção do canal da forma de onda na extremidade de saída torna-se mais grave.

Teoricamente, existem dois fatores principais que limitam a taxa de símbolos de transmissão do canal: a faixa de frequência que o canal pode passar e a relação sinal-ruído .

• A faixa de frequência que o canal pode passar

  Quando um sinal se propaga em um canal, a parte de alta frequência do sinal é atenuada, fazendo com que a forma de onda do sinal recebido perca os limites claros entre os símbolos. Esse fenômeno é chamado de crosstalk entre códigos . Nyquist derivou o critério de Nyquist , que deu um limite superior na taxa de transmissão de símbolos, a fim de evitar diafonia entre símbolos sob condições ideais assumidas.

  O processo de derivação do critério de Ney pertence ao conhecimento dos princípios da comunicação, aqui só precisamos lembrar as conclusões importantes.

  Em qualquer canal, existe um limite superior para a taxa de transmissão do elemento de código. Se a taxa de transmissão exceder esse limite superior, ocorrerão graves diafonias entre símbolos, impossibilitando o receptor de identificar os elementos de código.

  Se a banda de frequência do canal for mais ampla, ou seja, quanto mais componentes de alta frequência do sinal puderem passar, os símbolos poderão ser transmitidos a uma taxa mais alta sem interferência entre símbolos.

• a relação sinal-ruído

  O ruído existe em todos os equipamentos eletrônicos e canais de comunicação. O ruído é gerado aleatoriamente e seu valor instantâneo às vezes pode ser muito grande. Portanto, o ruído causará erros no julgamento dos símbolos pelo receptor. Mas o impacto do ruído é relativo. Se o sinal for relativamente forte, então o impacto do ruído é relativamente pequeno. A chamada relação sinal-ruído é a relação entre a potência média do sinal e a potência média do ruído (S/N). A unidade é dB (decibel).

  Shannon usou a teoria da teoria da informação para derivar a taxa de transmissão de informação final e livre de erros para um canal com largura de banda limitada e interferência de ruído branco gaussiano .

  香农公式：C = Wlog2(1+S/N)
  

  A fórmula de Shannon pode ser entendida como

  Pode-se concluir pela fórmula de Shannon que quanto maior a largura de banda do canal ou a relação sinal-ruído no canal, maior será a taxa final de transmissão da informação.

  Nota: Para um canal com uma largura de banda de frequência determinada, se a relação sinal-ruído não puder ser melhorada e a taxa de transmissão de símbolos atingir o limite superior, então a taxa de transmissão de informações poderá ser aumentada permitindo que cada símbolo transporte mais informações . O método melhora ainda mais a taxa de transmissão de informações.

2.2.3 Codificação e modulação

• Codificação: O processo de conversão de dados em sinais digitais.
• Modulação: O processo de conversão de dados em um sinal analógico.

2.2.3.1 Métodos de codificação comuns

Depois que os dados são convertidos em um sinal digital, o que representa 0 e o que representa 1 é a chamada codificação.Os métodos de codificação comumente usados ​​para sinais digitais incluem o seguinte:

• retornar à codificação zero

  Use nível alto para representar 1 e nível baixo para representar 0. O salto no meio de cada ciclo de clock retornará a zero. O receptor ajusta sua referência de clock com base neste salto. Isso fornece um mecanismo de autossincronização para ambas as partes.

• codificação sem retorno a zero

  Use alto nível para representar 1 e baixo nível para representar 0. Um ciclo pode ser usado para transmitir dados e as duas partes não podem sincronizar.

• Codificação Manchester

  Divida o símbolo em dois intervalos idênticos. O primeiro intervalo é de nível alto e o último intervalo é de nível baixo, que representa 1, e o oposto representa 0. A característica desta regra de codificação é que uma transição de nível ocorre no meio de cada símbolo, e a transição no meio é tanto um sinal de clock quanto um sinal de dados. Fornece um mecanismo de sincronização.

• Codificação Chester Lenta Diferencial

  Sempre há um salto no centro de cada bit. Uma transição no início do limite do bit representa 0, enquanto uma transição no início do bit representa 1.

Exemplos das quatro regras de codificação são mostrados na figura abaixo.

2.2.3.2 Métodos de modulação comumente usados

Os dados podem ser modulados em sinais analógicos e existem quatro métodos de modulação comumente usados.

• Amplitude shift keying (ASK): representa 0 e 1 alterando a amplitude do sinal da portadora, enquanto a frequência e a fase da portadora não mudam.
• Keying de mudança de frequência (FSK): representa 0 e 1 alterando a frequência do sinal da portadora, sem alterar a amplitude e a fase da portadora.
• Modulação de mudança de fase (PSK): representa 0 e 1 alterando a fase do sinal da portadora, enquanto a amplitude e a frequência da portadora não mudam.
• Modulação de amplitude em quadratura (QAM): Sob a premissa da mesma frequência, a modulação de amplitude e a modulação de fase são combinadas para formar um sinal sobreposto.

PS: Basta ter um pouco de compreensão de codificação e modulação .

2.3 Conceitos básicos da camada física

A camada física considera como a taxa de bits dos dados pode ser transmitida no meio de transmissão que liga vários computadores , em vez de se referir ao meio de transmissão específico . A função da camada física é proteger tanto quanto possível as diferenças de transmissão entre os vários meios de transmissão e dispositivos de hardware na rede de computadores, de modo que os serviços fornecidos à camada superior (camada de enlace de dados) sejam transparentes (ou seja, o a camada de enlace de dados é fundamentalmente Não sente a diferença na transmissão do fluxo de bits entre os diferentes meios de transmissão.Ele só precisa saber que, ao entregar o quadro de dados à camada física, ele pode ser transmitido para a camada de enlace de dados do endereço de destino. )

Os protocolos usados ​​para a camada física também são frequentemente chamados de protocolos da camada física.

A principal tarefa da camada física: determinar algumas características relacionadas à interface do meio de transmissão.

• Características mecânicas: Indicar o formato, tamanho, número de pinos, etc. do conector utilizado na interface.
• Características Elétricas: Indica a faixa de tensões presentes em cada linha do cabo de interface.
• Características funcionais: Indicam o significado de uma determinada tensão que aparece em uma determinada linha.
• Características do processo: Especifique a ordem de ocorrência de vários eventos possíveis para diferentes funções.

Ao mesmo tempo, a camada física também é responsável por completar a conversão dos métodos de transmissão.Nos computadores, os dados são transmitidos principalmente em paralelo , mas nos meios de transmissão, os dados geralmente são transmitidos em série, portanto, a camada física deve converter o método de transmissão.

2.4 Meios de transmissão

2.4.1 Meios de transmissão guiada

• par trançado

  O par trançado é o meio de transmissão mais comumente usado, consistindo em dois fios de cobre isolados mutuamente que são misturados de acordo com certas regras.

  Tanto a transmissão analógica quanto a transmissão digital podem usar pares trançados, e a distância de comunicação é geralmente de vários a mais de dez quilômetros.

  Existem pares trançados blindados e pares trançados não blindados no mercado.

• cabo coaxial

  O cabo coaxial consiste em uma camada isolante de proteção, uma camada externa de blindagem do condutor, uma camada isolante e um condutor interno.

  O cabo coaxial tem boas propriedades anti-interferência e é amplamente utilizado para transmitir dados em alta velocidade.

  **A largura de banda do cabo coaxial depende da qualidade do cabo. **O cabo coaxial de 50 ohms é comumente usado para transmissão LAN/digital, e o cabo coaxial de 75 ohms é comumente usado para transmissão de TV a cabo/analógica.
  

• fibra ótica

  Fibras ópticas, ou fibras ópticas, transmitem sinais transmitindo pulsos de luz.

  Como a frequência da luz visível é muito alta, da ordem de 10 elevado à oitava potência de MHz, a largura de banda de transmissão de um sistema de comunicação de fibra óptica é muito maior do que a largura de banda de vários outros meios de transmissão atuais.

  Vantagens da fibra óptica:

  • Capacidade de comunicação muito grande.
  • A perda de transmissão é pequena e a distância do relé é longa.
  • Bom desempenho anti-raios e interferência eletromagnética.
  • Sem interferência de crosstalk, boa confidencialidade.
  • Tamanho pequeno e peso leve.

2.4.2 Meios de transmissão não guiados

• ondas de rádio

  As ondas de rádio têm forte capacidade de penetração e podem ser transmitidas por longas distâncias, sendo amplamente utilizadas no campo das comunicações. As ondas de rádio podem propagar sinais em todas as direções, portanto, os dispositivos receptores dentro do alcance não precisam ser apontados em nenhuma direção para receber o sinal.

• Microondas, infravermelho e laser

  Existem atualmente três tecnologias de comunicação sem fio de alta largura de banda: microondas, infravermelho e laser. Eles exigem um caminho de linha de visão entre o receptor e o remetente, forte direcionalidade e propagação em linha reta.

Tecnologia de multiplexação de 2.5 canais

Em primeiro lugar, precisamos entender o que é a tecnologia de multiplexação

Por exemplo: Quando o host A1 e o host A2, o host B1 e o host B2 usam canais separados respectivamente, são necessários dois canais. Mesmo que um determinado grupo de hosts não tenha nenhuma comunicação no momento atual, ele ainda ocupará um canal, resultando em um desperdício de recursos do canal. Entretanto, usar a tecnologia de multiplexação de canais para permitir que esses dois grupos de hosts compartilhem o canal pode melhorar a utilização do canal.

PS: A multiplexação de canais tem um custo, ou seja, o canal compartilhado exige maior largura de banda e custos mais elevados, além do overhead de multiplexadores e demultiplexadores, porém se o número de canais multiplexados for grande, usar canais A reutilização é mais econômica.

2.5.1 Multiplexação por divisão de frequência e multiplexação por divisão de tempo

Os métodos de multiplexação mais básicos são a multiplexação por divisão de frequência e a multiplexação por divisão de tempo.

• multiplexação por divisão de frequência

  Divida toda a largura de banda em vários compartilhamentos. Depois que os usuários receberem uma determinada banda de frequência, eles ocuparão essa banda de frequência durante todo o processo de comunicação. Todos os usuários da multiplexação por divisão de frequência ocuparão diferentes recursos de largura de banda ao mesmo tempo (observe que o " " Largura de banda" é a largura de banda de frequência e não a taxa na qual os dados são enviados).

  A vantagem da multiplexação por divisão de frequência é que a tecnologia é relativamente madura, mas a desvantagem é que ela não é suficientemente flexível.

• multiplexação por divisão de tempo

  Divida o tempo em quadros de multiplexação por divisão de tempo de igual comprimento (quadros TDM). Cada usuário de multiplexação por divisão de tempo ocupa um intervalo de tempo com número fixo em cada quadro TDM, e o intervalo de tempo ocupado por cada usuário aparece periodicamente (o período é a duração do quadro TDM). Todos os usuários da multiplexação por divisão de tempo ocupam a mesma largura de banda de frequência em momentos diferentes .
  

  Ao usar um sistema de multiplexação por divisão de tempo para transmitir dados de computador, devido à natureza em rajadas dos dados de computador, a utilização do subcanal alocado pelo usuário geralmente não é alta. Por exemplo: quando um usuário não tem dados para enviar temporariamente, no quadro de multiplexação por divisão de tempo O intervalo de tempo alocado para este usuário só pode estar no estado inativo.

  Para resolver os problemas acima, surgiu a tecnologia estatística de multiplexação por divisão de tempo , que é um aprimoramento da tecnologia de multiplexação por divisão de tempo.

• tecnologia estatística de multiplexação por divisão de tempo

  A multiplexação estatística por divisão de tempo usa quadros STDM para transmitir dados multiplexados. O número de intervalos de tempo em cada quadro STDM é menor que o número de usuários conectados ao concentrador. Cada usuário envia dados para o buffer de entrada do concentrador a qualquer momento e, em seguida, O concentrador examinará o buffer de entrada, um de cada vez, em ordem, e colocará os dados do buffer no quadro STDM. Se não houver dados no cache, eles serão ignorados. Quando um quadro estiver cheio, ele será enviado. Portanto, pode-se observar que o quadro STDM não é uma alocação fixa de intervalos de tempo, mas sim uma alocação dinâmica sob demanda. Os horários ocupados por cada usuário não aparecem periodicamente. Portanto, também chamamos de multiplexação por divisão de tempo estatística como multiplexação por divisão de tempo assíncrona .
  

2.5.2 Multiplexação por divisão de comprimento de onda

A multiplexação por divisão de comprimento de onda é a multiplexação de luz por divisão de frequência. Use uma única fibra óptica para transmitir vários sinais de portadora óptica simultaneamente.

2.5.3 Multiplexação por Divisão de Código

A multiplexação por divisão de código também é chamada de CDMA de acesso múltiplo por divisão de código . Cada usuário pode se comunicar na mesma banda de frequência ao mesmo tempo. Como cada usuário usa um padrão de código diferente especialmente selecionado, não há comunicação entre cada usuário. O sinal enviado por este sistema possui forte capacidade anti-interferência, seu espectro é semelhante ao ruído branco e não é fácil de ser descoberto por terceiros.

A multiplexação por divisão de código foi originalmente usada para comunicações militares, mas com o avanço da tecnologia, é agora amplamente utilizada em comunicações móveis civis, especialmente em redes locais sem fio.

O uso do CDMA pode melhorar a qualidade da comunicação e a confiabilidade da transmissão de dados, reduzir o impacto da interferência na comunicação e assim por diante.

O princípio de funcionamento do CDMA é relativamente complexo e não será aqui apresentado, podendo os leitores interessados ​​consultar informação relevante.

referências

《计算机网络（第7版）》-谢希仁
《2023年计算机网络考研复习指导》-王道论坛

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