【计算机网络】物理层

目录

• 通信基础
  • 基本概念
  • 奈奎斯特(Nyquist)定理
  • 香农(Shannon)定理
  • 编码与调制
  • 交换方式
  • 分组交换
    • 数据报
    • 虚电路
• 传输介质
  • 导向传输介质
  • 非导向传输介质
  • 接口特性
• 物理层设备
  • 中继器
  • 集线器(Hub)

通信基础

• 信道上传送的信号可分为：
  • 基带信号：将数字信号1和0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取传输（称为宽带传输）
• 从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：
  • 单工通信：单向交互
  • 半双工通信：双向交互，但不能同时双向交互
  • 全双工通信：双向交互，但能同时双向交互
• 数据传输分串行传输方式与并行传输方式：
  • 串行传输方式：
    • 是指一个一个的比特按照实际顺序传输（出于经济上的考虑，远距离通信通常采用串行传输）
    • 物理数据服务单元是位
    • 特点：距离长、速度慢
  • 并行传输方式：
    • 是指多个比特通过多条通信信道同时传输。
    • 物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数

    • 特点：距离短、速度快

      所以在计算机内部（距离短）传输应选择并行传输

• 通信方式：
  • 同步传输：发送方和接收方的数据保持一致。发送方边发，接收方边接。
  • 异步传输：并不要求发送方和接收方的时钟完全一样。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。

基本概念

• 数据：信息的承载实体。
• 信号：数据的电磁或电气表现。
• 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。（波形）（编码的元，元即最小的组成部分）（信号波形）（数字脉冲）
• 码元个数：脉冲个数 或 信号变化的次数

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• 信道：向某一个方向传递信息的载体。
• 信息传播过程简单地描述为：信源→信道→信宿

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• 速率：也称数据率
  • 码元传输速率：又称波特率、调制速率、码元速率、波形速率或符号速率等，单位是波特(Baud)表示单位时间内传输的码元数
  • 信息传输速率：又称信息速率、比特率等，单位是比特/秒(bit/s)，表示单位时间内传输的比特数
• 带宽：
  • 媒介中信号可使用的最高频率和最低频率之差，或者说是频带的宽度；
  • 另一个含义是信道中数据的传送速率

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• 利用率

  • 信道利用率：
    指出某信道有百分之几的实际是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是0

    注意：信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

  • 网络利用率：
    是全网络的信道利用率的加权平均值。

奈奎斯特(Nyquist)定理

奈奎斯特(Nyquist)定理又称奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中的极限数据率。

• 无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽W的关系：极限码元传输率B为2W波特
  [B=2*W(Baud)]

• 奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式：

  • 定义：
    [C=2Wlog_2V(单位为b/s)]
    其中，C为理想低通信道下的极限数据传输率；W为理想低通信道的带宽（即 信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz）；V为一个码元所取的离散值个数（即 量化等级）（即 每个码元的取值个数，有多少种不同的码元，比如有16中不同的码元，则需要4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍）

    我们可以采用调幅调制计数，调整振幅，来增加码元离散值个数。

  • 波特率与数据传输速率直接的关系：
    [C=Blog_2V(单位为b/s)]
    其中，B为极限码元传输率（即 波特率）

香农(Shannon)定理

香农(Shannon)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。

• 信噪比：
  • 噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。
  • 噪声会使接收端对码元的判决产生错误。
  • 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。即：
    [信噪比(dB)=10log_{10}(S/N)(dB)]
  • 例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

• 香农公式-带噪信道容量公式：
  [C=Wlog_2(1+S/N)(单位为b/s)]
  其中，C为信道的极限数据传输率，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，通常把信噪比表示为10lg(S/N)分贝(dB)

  注意：两个理论上限不可逾越，只能取两者最小值。

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• 例子：
  1. 带宽6MHz，量化等级为4（即 一个码元的离散值个数），无噪声，最大数据传输率多大？
     C=2Wlog_2N(bps) = 2*6*log4=24Mbps

  2. 带宽3KHz，信噪比20dB,二进制，最大数据传输率
     香农：C=Blog(1+S/N)=3*log(1+100)=20Kbps
     奈奎斯特：C=2BlogV=2*3*log2=6Kbps
     两个理论上限不可逾越，只能取两者最小值：C=6Kbps

     注意：这里有噪声的香农比没噪声的奈奎斯特还要大，只是说明当提高码元离散值个数V（不用二进制，用更高的进制，如16，奈奎斯特就可以赶上香农）

编码与调制

连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）
取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号）

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。

• 基本概念：
  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。

• 数字数据编码为数字信号：

  数字数据编码用于基带传输中，即 在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。
  

  • 非归零编码：
    正电平代表1，负电平代表0。
  • 曼彻斯特编码：（以太网）（一个比特需要两个码元，即 波特率是数据率的两倍）（计算方法：时间=波特/波特率=比特/比特率）
    位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
  • 差分曼彻斯特编码：
    在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
  • 4B/5B编码：（每4个比特组需要5个码元，即 4/比特率=5/波特率，波特率=5/4*比特率）
    将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，当只采用其中的16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留。
  • 总结：
    • 从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的频率比非归零编码高。

    • 从自同步能力来看，非归零编码不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。（比如，一段很长的直线信号，当中有多少个二进制数据，非归零编码很难同步看出，而具有自同步能力则可以看有多少个跳变，从而知道多少个数据）

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  • 注意：码元和比特没有固定的比例关系。
    曼彻斯特编码：两个码元表示一个比特。
    4相DPSK调制：用4种相位不同的码元来表示二进制比特信息，这样每个码元可以表示2比特信息。
    码元存在8种状态：即 一个码元可以表示三个比特。

• 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。

  • 幅移键控(ASK)
  • 频移键控(FSK)
  • 相移键控(PSK)
  • 正交振幅调制(QAM)

• 模拟数据编码为数字信号：

  这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)（即 脉冲编码调制）。主要包括三个步骤，即采样、量化、编码

• 模拟数据调制为模拟信号：

  为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源。
  电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

交换方式

• 电路交换：

  通信双方在通信之前先建立一条专用（双方独占）的物理通信连接，然后再建立的连接上传输数据，数据传输完后释放连接。

  • 面向连接
  • 三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。
  • 在通讯过程中，通信的双方始终占用端到端的固定传输带宽。
  • 优点：
    • 通信时延小（像电话一样，比特流直达终点）
    • 有序传输
    • 实时性强
    • 没有冲突
    • 适用范围广
    • 控制简单
  • 缺点：
    • 建立连接时间长
    • 线路独占
    • 灵活性差
    • 难以规格化
    • 不具备差错控制的能力，无法纠正传输过程中发生的数据差错
  • 适用性：

    • 适用于实时通信的应用（电话通信就是采用电路交换的通信）

      注意：电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取“直通方式”接受数据和发送数据，即 不会存在存储转发所耗费的时间。

• 报文交换：（等待整个报文全部到达，存储完后，才能继续转发）

  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。
  与电路交换一样，都是发整个报文
  但是电路交换是从一个固定的路传输；
  而报文交换的路径并不固定，可以视情况改变。
  所以分组交换不仅仅是把报文交换的报文划分成更小的分组了，而且实现了流水线的交换。（毕竟报文交换需要等待整个报文数据全部到达才能转发）

  注意：此处讨论的都是针对一个报文数据而言的。如果针对多个报文数据，那报文交换也能算流水线。

  • 无连接
  • 报文的大小不固定
  • 节点先接收报文，进行存储，然后根据线路的情况决定通过线路先其他节点转发
  • 优点：
    • 无须建立连接
    • 动态分配线路
    • 提高线路可靠性
    • 提高线路利用率
    • 提供多目标服务
  • 缺点：
    • 节点的存储转发需要一定的时延。（包括接受报文、检验正确性、排队、发送时间等）

• 分组交换：（不需要等待分组全部到达后再转发，可以到达一个转发一个）（流水线）

  分组交换也采用存储转发方式。

  • 连接性：
    • 面向连接的虚电路分组交换
    • 无连接的数据报分组交换
  • 分组长度固定，且比报文小得多
  • 节点时延比较小，差错重传的数据量小
  • 优点：
    • 无建立时延
    • 线路利用率高
    • 简化了存储管理
    • 加速传输
    • 减少了出错概率和重发数据量
  • 缺点：
    • 存在传输时延
    • 需要传输额外的信息量

    • 当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的地时，要对分组按编号进行排序等工作。

      注意：分组交换对报文交换的主要改进是减少了传输时延。（报文太长了，存储转发要太长时间）

• 总结：
  • 要传送的数据量很大且其传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适。
  • 端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
  • 从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式数据通信。
  • 为了使数据在网络中的传输时延最小，采用电路交换较为合适。

  • 为保证数据无差错地传输，不应选用的交换方式是电路交换。

    电路交换方式的优点

  • 在出错率很高的传输系统中，选用数据报方式更合适。

    注意：是传输系统出错率高，指的是易出现结点故障。而不是本身传输出错率高（不是误码率高），要提高可靠性。
    注意：
    电路交换：通常是在物理层，譬如打电话等。此时整个物理线路的带宽是由该通讯独占的。
    虚电路交换：在一条物理线路上虚拟出多个逻辑的通道，此时该物理线路上可以有多条通讯量，每条通讯独占一条虚拟电路。多个虚拟电路通过时分/频分等多路复用方式复用到一条物理链路上。

• 计算方法：
  • 电路交换所需时间=建立连接时间+传输所有数据所需时间
  • 报文交换所需时间=传输所有数据到下一个路由器的所需时间（存储转发）+...直到到达目的节点
  • 分组交换所需时间=传输所有数据到下一个路由器的所需时间（存储转发）+最后一个分组经过路由器到目的地址的所需时间（即 一个流水线，直到最后一个分组到达路由器后，数据才完整传输完毕）（时序法）
  • 时序法：
    1. 首先计算所有分组的发送时间
    2. 再计算最后一个分组传输完的时间

    3. 前面分组在计算最后一个时间的时候都并行的计算完了

       （发送流程：左边未发送，右边已发送）（流水线）（前面分组在计算最后一个时间的时候都并行的计算完了）
       ❤❤❤❤|~~~~~~~~~|（初始状态）
       →|❤❤❤❤~~~~~~~~~|（所有分组的发送时间）
       →|~~~~~~~~~|❤❤❤❤（最后一个分组传输完的时间）

电路交换，报文交换，分组交换之间的区别以及联系：

	电路交换	报文交换	分组交换
建立被双方独占物理通路（建立连接）	需要	不要求	不要求
数据交换单位	比特流	报文	分组
传输方式	比特流直接到达	存储转发	存储转发
每个分组沿着规定路径	是	不是	不是
分组按序到达	是	不是	不是
优点	通信时延小； 实时性强； 适用范围广； 控制简单； 避免冲突。	无需建立连接； 动态分配路线； 可靠性高； 线路利用率高； 可提供多目标服务。	加速传输； 简化存储管理； 减少出错几率和重发数据量。
缺点	建立连接时间长； 信道利用率低； 缺乏统一标准； 灵活性差。	由于存储转发方式导致转发时延； 对报文大小没有控制，需要较大的存储缓存空间。	存在传输时延； 工作量大，可能出现分组失序，丢失等情况。

分组交换

区别	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

数据报

• 简单灵活、无连接、尽最大努力交付
• 不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的地
• 所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点）当然也不保证分组传送的时限
• 特点：
  • 发送分组前不需要建立连接
  • 网络尽最大努力交付
  • 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输
  • 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
  • 网络具有冗余路径，当某一结点出现故障，可相应的更新转发表，找另一条路
  • 存储转发的时延一般较小，提高了网络的吞吐量
  • 收发双方不独占某一链路，资源利用率较高

虚电路

虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果。
虚电路只是逻辑上占用这个电路，其他的虚电路也能一起用这条物理路径。

注意：虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的（而电路交换是专用的），每个结点到其他结点之间的链路能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个节点之间建立虚电路。
每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同也可能不同。

• 面向连接、可靠
• 所发送的分组无差错按序到达终点，不丢失、不重复
• 步骤：虚电路建立、数据传输与虚电路释放
• 在发送方和接受方建立一条逻辑连接的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。
• 特点：
  • 建立和拆除需要时间开销
  • 路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径
  • 当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
  • 分组收不并不包含目的地址，而包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小。
• 适用性：
  由于建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量短分组情况显得很浪费，当对长时间、频繁的数据交换效率较高。

传输介质

导向传输介质

传输介质也称传输媒体，它是发送设备和接收设备之间的物理通路。可分为导向传输介质（有线）和非导向传输介质（无线）。

• 双绞线：
  • 特点：
    • 价格便宜，在最常用的传输介质之一
    • 双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离
    • 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线
    • 通信距离：一般为几千米到数十千米
  • 适用性：
    在局域网和传统电话网中普遍使用
  • 分类：
    • 屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)（带金属屏蔽层）
    • 无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)
• 同轴电缆：
  • 特点：
    • 具有良好的抗干扰特性
    • 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量
  • 适用性：
    • 被广泛用于传输较高速率的数据
  • 分类：
    • 50Ω同轴电缆：LAN/数字传输常用
    • 75Ω同轴电缆：有线电视/模拟传输常用
• 光缆：
  • 特点：
    • 光纤是光纤通信的传输媒体
    • 由于可见光的频率非常高，约为(10^8)MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  • 分类：
    • 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。但光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐变宽，造成失真（故只适合于近距离传输）
    • 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。衰减较小（适合于远距离传输）

非导向传输介质

无线传输介质

• 无线电波：
  • 无线电波使信号向所有方向散播
  • 适用性：
    具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，被广泛应用于通信领域，如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网(WLAN)等。
• 微波、红外线和激光：
  • 信号是沿直线传播的
• 卫星通信：
  • 优点：
    通信容量大、距离远、覆盖广
  • 缺点：
    端到端传输时延长

接口特性

物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，主要任务为确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

• 机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线的数目和排列等等
• 电气特性：指明在接口电脑的各条线上出现的电压的范围
• 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
• 过程特性：也称规程特性，只要定义各条物理线路的工作规程和时序关系

物理层设备

中继器

中继器是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单、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。
连接线路、对信号整形放大
网段（network segment）一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备（传输介质，中继器，集线器等）能够直接通讯的那一部分。

• 基本概念：
  • 中继器又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后，应噪声或其他原因而造成的失真和衰减，扩大网络传输的距离。
  • 其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）

  • 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，而不管数据中是否有错误数据或不适合网段的数据。

    放大器和中继器都起放大作用
    放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大（对信号不加处理的放大）
    中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生

• 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，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。

注意：如果某个网络设备具有存储转发功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议，否则不能。
中继器是没有存储转发功能的，因此它不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

集线器(Hub)

• 基本概念：
  • 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。
  • 用多个集线器可连成更大的局域网
  • 半双工状态
• 优点：
  使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。

• 缺点：
  冲突域增大了，但总的吞吐量反而减小。（如果同时又两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，导致这些数据都无效）

  注意：多台计算机必会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于一个冲突域。
  集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。

• 补充：
  • 光纤到户(Fibre (Fiber) To The Home, FTTH)：光纤
  • 非对称数字用户线路(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL)：电话线
  • 混合光纤同轴电缆(Hybrid Fiber－Coaxial, HFC)：有线电视