【计算机网络】第二章 物理层 |
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概览
名称物理层基本单元比特流物理设备中继器、集线器
2.1 通信基础
2.1.1 基本概念
1.数据、信号和码元 数据和信号都可以使用特定的电磁波型来定义。其中,连续变化的数据或信号被称为模拟信号,只有数种状态的离线的数值数据或信号被称为数字信号 数据传输的方式可以分为串行传输和并行传输 码元指的是用一个固定时长的信号波形表示一位k进制的数字,代表着不同离散数值的基本波形,是数字通信中的基本数字信号计量单位,这个时长内的信号称为k进制码元,而一个码元时长称为码元宽度 比如说一个只有高电平和低电平两种状态的电路,如果将2个电路变化周期作为码元宽度,则可以表示00、01、10、11四种数字 2.信源、信道和信宿 信源是产生和数据发送的源头,信宿是接收数据的终点,而信道则是传输信息的路径和介质。从通信双方信息的交互来看,可分为三种基本方式: 单向通信半双工通信全双工通信3.速率、波特和带宽 码元传输速率:又称为波特率,指的是单位时间内数字通信系统所传输的码元个数,单位是波特。信息传输速率:又称比特率,表示单位时间内数字通信系统传输二进制码元的个数,也就是传输比特(bit)的个数,单位是比特/秒带宽:指的是信号具有的频带宽度,在实际网络中,带宽表示单位时间从网络的某一点到另外一点能够通过的最高数据率。如果一个码元携带n比特的信息,则M波特率的码元传输速率对应nM比特率的信号传输数据 2.1.2 奈奎斯特定理和香农定理 奈奎斯特定理信道能够通过的频率范围是有限的,信号中许多高频分量会在传输中衰减,导致接收端收到的信号失去了码元之间清晰的界限,这种现象称为码间串扰。奈奎斯特定理规定了在理想的低通信道(没有噪声、带宽有限)中的极限信道传输速率。(码元的离散电平数目指的是有多少种不同的码元,如果是有16种不同的码元,那么一个码元就可以携带4bit的信息,所以数据传输速率为码元传输速率的4倍) 极限码元传输速率 = 2 W l o g 2 V 极限码元传输速率=2Wlog_2V 极限码元传输速率=2Wlog2V 其中W为带宽,V为码元数量 根据奈氏准则,可以得出以下结论: 任何信道中,码元传输速率是有上限的信道的频带越宽,码元极限传输速率越高奈氏准则给出了码元传输速率的上限,但是未限制码元对应多少个二进制位。 香农定理该定理给出了带宽受限并且有高地白噪声干扰的新到的极限数据传输速率,如下: 极限数据传输速率 = W l o g 2 ( 1 + S / N ) 极限数据传输速率=Wlog_2(1+S/N) 极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N) 其中W为信道带宽,S为信道平均功率,N为信道内部噪声功率,S/N为信噪比,就是信号平均功率和噪声平均功率的比值。香农定理可以得出以下结论: 信道的带宽或者信噪比也大,信息极限传输速率越快对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息极限速率是确定的只要信息传输速率低于极限速率,则一定能有某种方法实现无差错传输实际传输速率很难达到香农定理的上限。信噪比S/N用单位dB表示,具体值为: p = 10 l o g 10 ( S / N ) p=10log_{10}(S/N) p=10log10(S/N),其中p为分贝值,S/N为信噪比 2.1.3 编码和调制把数据变换为模拟信号称为调制,将数据变化为数字信号称为编码 1.数字数据编码为数字信号一般采用脉码调制PCM,主要包括三个步骤:采样、量化、编码 采样:在通信领域,带宽是指信号最高频率和最低频率之差,因此将模拟信号转化为数字信号时,假设原始信号中最大频率为f,那么采样频率必须大于等于最大频率的两倍,才能保证采样后的数字信号完整保存原始模拟信号的信息。采样是对模拟信号的周期性扫描,将时间上连续的信号变成练得信号。量化是吧采样取得的电平值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整,将连续的电平值变成了离散的 数字值编码是将量化结果转化为与之对应的二进制编码 2.1.4 电路交换、报文交换和分组交换 1.电路交换在进行传输前两个节点之间建立一条专用的物理通信路径,传输期间一直被独占,直到通信结束才被释放,比如打电话。电路交换是直接传输,没有转发时延。 优点: 通讯时延小:双方专用,数据直达,因此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,使用效率低灵活性差,可靠性低难以规格化 2.报文交换概念:报文 数据单位为报文,报文携带者目的地址,源地址等信息,报文交换在交换节点使用的是存储转发的传输方式 优点: 无需建立连接:不需要建立专用链路,不存在建立连接时延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:一个报文可以发给多个目的地址缺点: 数据进入交换节点后要经历存储转发的过程,因此会引起转发时延报文交换对报文的大小没有限制,因此转发节点需要较大缓存空间 3.分组交换概念:分组 分组交换也是采用存储转发的方式,但是解决了报文交换中大报文的传输问题。分组交换限制了每次传输数据块的大小,把大的报文接氛围合理的小数据块,加上必要的控制信息构成分组(Packet)。 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:分组较为短,出错概率第低;一旦出错,只需要发送出错的分组而非整个报文 缺点:存在转发时延:传输时延的一种,比报文交换短,但是比电路交换长。需要传输额外的信息量可能会出现失序、丢失或者重复的现象 3.1.5 数据报和虚电路分组交换可以进一步分为面相连接的虚电路方式和无连接的数据报形式 1.数据报特点: 发送分组前不需要建立连接网络尽最大努力交付,传输不保证可靠性;会为每个分组独立选择路由,转发路径可能不同,因此不一定有序到达发送分组中需要包含发送和接受的完整地址分组交换在交换节点存储转发时,需要排队等候处理网络具有冗余链路存储转发延时小,吞吐量高收发双方不独占电路,利用率高 2.虚电路虚电路建立了一条虚拟的电路,使得通讯双方看起来似乎是在独立占用了一条电路,虚电路需要双方在通讯前先建立连接,连接一定建立就固定了虚电路对应的物理链路。其特点如下: 链路的建立和解除需要时间,适用于长时间大数据量的交换场景虚电路在建立连接时就完成了路由选择,后续都会按着固定路径传输虚电路提供了可靠传输,能保证分组有序到达虚电路经过的路由链路遭到破坏时,会丢失连接分组的首部不包含目的地址,包含的是虚电路的标识符,用于选择使用哪种虚电路 2.2 传输介质 2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质 1.双绞线最古老的传输介质,使用两个相互绝缘并排绞合的通道县制成,如果表面覆盖有金属屏蔽层则为屏蔽双绞线,否则是非屏蔽双绞线。 2.同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层和塑料外层组成,分为传输基带数字信号的基带同轴电缆和传输宽带信号的宽带同轴线缆。同轴线缆比双绞线有更好的抗干扰特性和更远的传输距离,但价格娇贵 3.光纤使用光导纤维传递脉冲来进行通信,光的频率很高,因此光纤带宽范围极大。将从不同角度入射多条光纤在一根光纤中传输,称为多模光纤,这种传输数据量大,但是只适合短距传输。反之为单模光纤,传输距离小,适合远距离传输。光纤优点如下: 传输损耗小,中继距离长,远距传输性能好抗雷电和电磁干扰小无串音干扰,保密性好体积小重量轻 4.无线传输介质 无线电波:具有较强的穿透能力,可以传输很长距离,比如说手机蜂窝网络和电脑的WLAN。微波、红外线和激光:需要收发双方有一条直接的视线通路,有很强的方向指向性。 2.2.2 物理层接口的特性主要有以下特性: 机械特性:接口尺寸形状、引脚功能和排列电气特性:各线缆的电压范围功能特性:某一电平的电压代表什么意义过程特性/规程特性:对于不同功能的可能事件的顺序 物理层主要接口标准有EIA RS-232-C, ADSL,SONET/SDH等 2.3 物理设备 中继器将原本因为传输而衰弱和失真的信号,进行整形并放大后,再传输出去,作用是扩大网络传输的距离。端口的作用仅仅作用于信号的电气部分,而不会管数据是否有误。中继器是扩大网络规模最廉价的设备。中继器两端的网络部分是网段而非子网,使用中继器连接的数个网段依旧是一个局域网。中继器工作在物理层, 无法连接两个具有不同速率的局域网。 集线器(Hub)集线器实质上是一个多端口的中继器。Hub的每一个端口连接的网络部分都是同一个网络的不同网段,同时HUB只能在半双工情况下工作,网络的吞吐率会因此而受影响。 |
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