物理层

1. 通信基础 *

1.1. 基本概念 *

1.1.1. 数据，信号与码元 *

通信的目的是传送信息

• 数据：传送信息的实体

• 信号：数据在传输过程中的存在形式

  • 模拟信号/数据：连续变化的信号/数据
  • 数字信号/数据：取值仅允许为几个有限的几个离散数值的信号/数据

• 码元：数字通信中数字信号的计量单位，用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字。时长内的信号称之为k进制码元，时长称之为码元宽度

1.1.2. 信源，信道与信宿 *

数字通信系统主要划分为信源、信道和信宿。

• 信源是产生和发送数据的源头
• 信宿是接受数据的终点
• 信道是信号的传输媒介

信道分类

• 传输信号形式：模拟信道/数字信道
• 传输介质：无线信道/有线信道

信号分类

• 基带信号（基带传输）/宽带信号（宽带传输）
  • 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去传输(称为宽带传输)。

通信交互方式

• 单向通信：一条信道，无线电广播，电视广播
• 半双工通信：两条信道，通信的双方都可以发送或接收信息，任何一方不能同时发送和接收
• 全双工通信：两条信道，两个方向的数据传输可以同时进行，通信双方可以同时发送和接收信息

1.1.3. 速率，波特与带宽 *

• 速率：数据率，数据传输速率

  • 码元传输速率（波特率）：单位时间内传输的码元数，单位波特,可以是多进制。码元速率与进制数无关。（比如说2个二进制数组成一个码元，那他就是四进制的）
  • 信息传输速率：单位时间内传输的二进制码元个数（比特数），单位比特/秒

  注意：波特和比特是两个不同的概念，码元传输速率也称调制速率、波形速率或符号速率。但码元传输速率与信息传输速率在数量上却又有一定的关系。若一个码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

• 带宽：网络的通信线路所能传输数据的能力，表示单位时间内从网络中一点到另一点所能通过的"最高数据率"，单位b/s（Hz）

1.2. 奈奎斯特定理/香农定理 *

1.2.1. 奈氏准则 *

理想低通信道下极限数据传输速率= $2W\log_2{V}$ ，其中W为理想低通信道带宽，V为每个码元离散电平数目。

• 任何信道码元传输速率有上限，超过上限会产生码间串扰
• 信道频带越宽，信道传输速率越高
• 奈氏准则规定码原传输速率，却并未限制码元可以有多少个二进制位。

1.2.2. 香农定理 *

香农定理是奈氏准则的推广，它规定了信息传输速率的上限，即信道的最大信息传输速率= $W\log_{2}{(1+S/N)}$ ，其中W为信道带宽，S/N为信噪比。

信噪比= $10log_{10}(S/N)$ ，单位dB

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信息极限传输速率越高
• 传输带宽和信噪比确定，信息传输速率上限确定
• 信息传输速率低于信道极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错传输。

奈氏准则只考虑了带宽与极限码元与传输速率的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，也考虑了信噪比。从侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

1.3. 编码与调制

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。

1.3.1. 数字数据编码为数字信号

• 归零编码(RZ)
• 非归零编码(NRZ)
• 反向非归零编码(NRZI)
• 曼彻斯特编码(以太网)
• 差分曼彻斯特编码(局域网)
• 4B/5B编码

1.3.2. 数字数据编码为模拟信号

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

1.3.3. 模拟数据编码为数字信号

• 采样：时间上连续的信号变为离散的信号
• 量化：连续信号的幅度变为离散的数字量
• 编码：量化的结果转换为与之对应的二进制编码

1.3.4. 模拟数据编码为模拟信号

1.4.电路交换/报文交换/分组交换 *

1.4.1.电路交换 *

• 连接建立，数据传输，连接释放
• 用户始终占用端到端的固定传输宽带

优点：

• 通信时延小
• 有序传输
• 没有冲突
• 适用范围广
• 实时性强
• 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

1.4.2.报文交换 *

• 报文携带目标地址，源地址等信息，在交换节点采用存储转发的传输方式。

优点：

• 无需建立连接
• 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：

• 引起转发时延
• 报文大小没有限制，要求网络结点有较大缓存空间。

1.4.3. 分组交换 *

• 限制每次传送数据块大小的上限，把大数据块划分为合理的小数据块，加上控制信息，构成分组。

优点：

• 无建立时延
• 线路利用率高
• 简化存储管理
• 加速传输
• 减少出错概率和重发数据量。

缺点：

• 存在传输时延
• 需要传输额外信息量
• 分组采用数据报形式的时候，可能出现失序、丢失或者重复分组。

1.5.数据报与虚电路

1.5.1.数据报

• 无连接的，不可靠的，尽最大努力交付的服务。
• 发送的分组包括发送端和接收端的完整地址。
• 分组在交换节点中采用存储转发的方式传输，需要排队等候处理，造成时延。
• 网络具有冗余路径。
• 存储转发延时一般较小，提高网络吞吐量。
• 收发双方不独占某条链路，资源利用率高。

1.5.2.虚电路

• 发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路。与电路交换类似，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。
• 每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号。
• 虚电路通信链路建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
• 虚电路的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
• 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。此外，还可以对两个数据端点的流量进行控制。
• 网络中某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或链路的虚电路将遭到破坏。
• 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小。

2. 传输介质 *

2.1. 双绞线，同轴电缆，光纤与无线传输介质 *

• 双绞线:绞合减少相邻导线的电磁干扰，局域网/传统电话线
  • 无屏蔽双绞线
  • 屏蔽双绞线（金属丝编织成的屏蔽层）
• 同轴电缆:内导体，绝缘层，网状编织屏蔽层和塑料外层，用于传输较高速率的数据
• 光纤:光脉冲
  • 通信容量非常大
  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
  • 体积小，重量轻
• 无线传输介质
  • 无线电波
  • 微波，红外线和激光

2.2. 物理接口的特性

• 机械特性
• 电气特性
• 功能特性
• 过程特性

3. 物理层设备 *

3.1. 中继器 *

• 将信号整形并放大转发，以扩大网络传输距离（信号再生）

• 中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。

• 不能连接两个不同速率的局域网

  注意：如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议；如果该网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议，中继器没有存储转发功能，因此它不能连接两个选率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

• 5-4-3规则:4个中继器串联的5段通信介质只有3段可以挂接计算机。

• 放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。

3.2. 集线器 *

• 多端口中继器，作信号放大和转发作用，扩大网络传输范围

• 至多有一个端口接收输入，整形放大后转发到所有处于工作状态的端口。（若有两个或以上端口输入，输出时会有冲突，导致数据都无效）

• 在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。

• 主要使用双绞线组件共享网络

• 不能分割冲突域

• 比如，一个带宽为10Mb/s的条线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s.