408---CN三轮复习---物理层-526互联

ps: 参考了不少我之前写的 : https://www.cnblogs.com/lordtianqiyi/p/17706801.html

通信基础

基本概念

数据、信号与码元

数据: 传送信息的实体，通常是有意义的符号序列，如图片、文字

信号: 数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式,如数字信号与模拟信号

数字信号（离散信号）:代表消息的参数取值是离散的

模拟信号（连续信号）:代表消息的参数取值是连续的

码元: 在一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形就称为码元

在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态

一个码元所携带的信息量是不固定的，是由调制方式和编码方式决定的 k进制码元

基带信号与宽带信号

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（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，然后送到模拟信道上传输（宽带传输）

基带传输、频带传输、宽带传输

1、基带传输

在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制就在信道上直接进行的传输方式称为基带传输。它通常用于局域网。
2、频带传输

将基带信号转换为频率表示的模拟信号来传输,称为频带传输

用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制），将其变成适合于传送的信号后再进行传输，这种传输方式就是频带传输。远距离传输或无线传输时，数字信号必须用频带传输术进行传输。
3、宽带传输

将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频、和数字信号，称为宽带传输

借助频带传输，可将链路容量分解成两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中所有的信道能同时互不干扰地发送信号，链路容量大大增加

信源、信宿、信道

信源: 产生或发送数据的源头

信宿: 接收数据的终点

信道: 信号的传输媒介，可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。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，然后送到模拟信道上传输（称为宽带传输）。

通信方式

单工通信: 即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
如无线电广播、有线电广播就是单工通信

半双工通信: 双向交替通信
即通信双方都可以发送信息，但双方不能同时发送

全双工通信: 双向同时通信
即通信双方可以同时发送或接收信息,单工通信需要一条信道，而半双工通信和全双工通信需要两条信道

速率、波特、带宽

速率
1、波特率=码元传输速率=码元速率=波形速率=符号速率=调制速率
它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）

2、信息传输速率=信息速率=比特率
表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位：b/s

波特

波特率: 每秒可能发生的信号变化次数 (不考虑码元)
波特率 = 比特率/每码元所含比特数 = 信息传输速率/每码元所含比特

带宽
两个含义
1、模拟信号系统中，最高频率与最低频率的差值(频带宽度)
2、表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”

在数据信号系统上表示最高速率，在模拟信号系统上表示频率宽度

ps

基带信号不经过调制，一般指的是数字信号，在数字信道上进行基带传输

宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，在模拟信道上进行宽带传输

奈奎斯特定理

\[理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2W\log_{2}V \]

它规定：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽
信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

香农定理

\[信道的极限数据传输速率=W\mathrm{log}_2(1+S/N) \\ 信噪比 = 10\mathrm{log}_{10}(S/N) \]

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速率
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即信号的平均功率与噪声的平均功率之比

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。

数字数据编码为数字信号

1、归零编码(RZ): 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式
这种编码在传输过程中处于低电平的情况多，信道利用率低

可以实现自同步

2、非归零编码(NRZ): 正电平为1，负电平为0
无法实现自同步

3、反向不归零编码(NRZI): 信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
无法实现自同步

4、曼彻斯特编码(Manchester Encoding): 前高后低表示1，前低后高表示0
而只传输了一位比特,但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2（在一个时钟周期内电平变化了两次，

5、差分曼彻斯特编码: 若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的电平相同，若为0，则相反。
该编码的特点是在每个码元中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰强于曼彻斯特编码。

6、4B/5B编码: 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。

数字数据调制为模拟信号

正交振幅调制QAM（调频 + 调相）：为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制振幅相位调制方法。

模拟数据编码为数字信号

PCM：脉冲编码调制

需要特别注意的是采样频率一定要大于最高频率的二倍

注意是最高频率不是传输速率

模拟数据调制为模拟信号

在模拟信号传输过程中，可能信道的长度非常长，环境比较恶劣，会导致传输的模拟信号会受到衰减
为了保证传输的有效性，需要将信号调制成频率更高的信号来应对传输过程的衰减
接收方接收到调制的信号后，通过解调器将信号还原为原来的信号

电路交换、报文交换、分组交换

电路交换

在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。因此，电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。
优点
1. 时延小
2. 有序传输
3. 没有冲突
4. 适用范围广，适用于模拟/数字信号
5. 实时性强
缺点
1. 建立时间长
2. 线路独占，信道利用率低
3. 难以规格化，难以差错检测

报文交换

存储转发
报文交换的优点
1. 无须建立连接
2. 动态分配线路
3. 提高线路可靠性。如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据
4. 提高线路利用率
5. 提供多目标服务
缺点
1. 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等)。
2. 报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间

分组交换

路由器是实现分组交换的关键部件
存储转发
优点
1. 无建立时延
2. 线路利用率高
3. 简化了存储管理（相对于报文交换). 因为分组的长度固定
缺点
1. 需要传输额外的信息量。
  
  每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息，
  使得传送的信息量增大了5%~10%，一定程度上降低了通信效率增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
2. 分组交换的数据报服务的传输是无序的，虚电路服务是有序的，但需要呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

分组交换---数据报服务与虚电路服务

数据报服务

特点
1. 不建立连接
2. 尽最大能力交付
3. 无序传输
工作原理

虚电路服务

工作原理

特点:

虚电路通信链路的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。
虚电路有一个致命的弱点，即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。
有确认机制

虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个结点之间建立虚电路。

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。

对比

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

TCP与虚电路的关系

ps:

在过去很长的时期，人们都有这样的概念：电路交换适合于话音通信，而分组交换则适合于数据通信。

各种交换小结

电路交换建立连接时间很长但传输时延最短，而且保证有序传输，但没有差错检验
报文交换传输时延长且不固定 , 不保证有序传输
数据报服务尽最大可能交付，不保证可靠性
虚电路交换有序传输，保证可靠传输

传输介质

传输媒介被称为第0层

物理层接口四大特性

1、机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
2、电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围，阻抗匹配、传输速率和距离限制。如某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~ +15V表示二进制0，用-10V~15V表示二进制1，电线长度限于15m之内，这些都是电气特性。
3、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。
注意与电气特性区分，如描述一个物理层接口引脚处高电平时的含义表示的功能特性。
4、过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
非屏蔽双绞线UTP
无屏蔽层的双绞线
屏蔽双绞线STP
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。
优缺点
价格便宜，通信距离短，长距离的模拟传输需要放大器放大衰减信号，对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。
模拟传输和数字传输都可使用双绞线，其通信距离一般为几千米到数十千米。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号：对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。
基带同轴电缆
用于传输基带数字信号的传输，用于局域网; 50Ω
带宽同轴电缆
用于传送宽带信号的传输，用于有线电视系统; 75Ω
优缺点
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离比双绞线更远，价格也更高。

光纤

光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0
一、单模光纤

光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤
1、单模光纤的光源为定向性很好的半导体激光器，
2、单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。

3、单模光纤厚度只有一个波长这么大

二、多模光纤

利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为
多模光纤（见图2.10)
1、多模光纤的光源为发光二极管。
2、光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。

物理层设备

中继器

中继器的主要功能是将信号整形并放大(应该是再生)再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。
0、中继器的原理是将衰减的信号再生，而不是放大
1、中继器的网段一定要是同一个协议（中继器不会存储转发，傻瓜式机器）
2、使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。
3、5-4-3规则
网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
以太网有5个网段，4个网络设备，3个段连接计算机