2.物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

1. 数据、信号、码元

• 数据：传送信息的实体
• 信号：数据的存在形式，如电气或者电磁表现
• 数据和信号都包括模拟和数字两种
• 码元：用一个固定宽度的信号波形（高低）表示一位k进制的数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位。这个时长内的信号称为k进制码元，时长为码元宽度。1码元可有多个比特的信息量。

2. 信源、信道、信宿

• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接收数据的终点
• 信道：信号灯传输媒介（并不等同于电路），一般一个通信线路包括一个发送和一个接收信道，可分为数字和模拟、基带（直接同不通电压表示0和1）和宽带（将基带信号调制后产生分频复用的模拟信号）；信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或极限信息传输速率

基本的通信方式：

• 单工通信：只有一个方向的通信而没有反向交互，仅需一条信道，如各种无线电广播
• 半双工通信：双方都可以发送或接收信息，但任一方都不能同时发送和接收。
• 全双工通信：通信双方同时发送和接收信息，需要两条信道。

3. 速率、波特、带宽

• 码元传输速率：码元速率or波形速率，表示单位时间数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud），1波特表示每秒传输一个码元。速率与进制数无关，仅与信号宽度有关。
• 信息传输速率：信息速率or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，单位是比特每秒。
• 若一个码元包含n个比特的信息量，则1 Baud = n bps

2.1.2 奈奎斯特定理、香农定理

1.奈奎斯特定理

理想低通信道中，极限码元传输率为2W band（W为理想低通信道的带宽，单位Hz），用V表示每个码元离散电平数目，则用log将码元电平转为二进制位，有：

理想低通信道下的极限数据传输率=2*W*log_2(V)

结论：

• 任何信道的码元传输速率都有上限
• 信道频带越宽（信号高频分量越多），传输速率更高
• 该定理没有限制信息传输速率（码元对应的二进制位）

2.香农定理

带宽受限且具有白噪声的信道极限数据传输速率：
W*log_2(1+S/N)

其中，S为信号平均功率，N为信道内部高斯噪声功率，则S/N为信噪比。

结论：

• 信噪比越大，极限传输速率越高
• 传输速率上限只由带宽和信噪比决定
• 只要信息传输速率低于极限传输速率，就可以优化确保无差错传输
• 实际传输速率比此值低不少

2.1.3 编码、调制

• 调制：Data->Analog
• 编码：Data->Digital

1.数字数据的编码

• 非归零码（NRZ）：只用0和1，但不能检错也不能判断开始和结束。归零码（RZ）：前半表示01，后半归零。
• 曼彻斯特编码：将一个码元分为两个相等间隔，每个间隔为两部分：先高后低表示1，先低后高表示0。特点是边沿触发，每个码元中间存在跳变表示0或1。
• 差分曼彻斯特：常用于局域网。前半个码元的电平与上个码元的后半相同则为1；反之则为0。变化比曼彻斯特更少，更适合高速传输。
• 4B/5B编码：将发送端的4位作为一组，按照规则转为5B码，32种组合中的16种用于对应4位码，其他16种作为控制码表示开始和结束、状态信息。

2.数字数据的调制

• 幅移键控（ASK）：改变载波信号振幅表示1或0，不变频率和相位，易于实现，抗干扰差
• 频移键控（FSK）：改变载波信号频率表示1或0，不变幅度和相位，易于实现，抗干扰强
• 相移键控（PSK）：改变载波信号相位表示1或0，不变幅度和频率，分为绝对调相和相对调相
• 正交振幅调制（QAM）：频率相同的情况下结合ASK和PSK

3.模拟数据的编码

就是常用在音频品信号的脉码调制（PCM），

1. 抽样
2. 量化
3. 编码

4.模拟数据的调制

频分复用（FDM）技术

2.1.4 电路交换、报文交换、分组交换

1. 电路交换

   首先需要建立双方独占的专用物理通信路径（由双方交换设备和链路逐段链接而成），可能经过多个中间节点。主要阶段分为：建立连接、传输数据、释放连接。

   • 优点：时延小、有序、无冲突、适用性强、易于控制
   • 缺点：建立时间长、线路独占、灵活性差、难以规格化

2. 报文交换

   单位是报文，携带目标地址、源地址。报文交换在交换节点采用存储转发的方式。

   • 优点：无需建立、动态分配、线路可靠、利用率高、多目标
   • 缺点：储存引起转发时延（接收+验证+排队+发送）、报文不限长度，长度未知

3. 分组交换：

   也采用了存储转发，但解决了报文交换中的大报文传输问题。将大的数据块分为多个小的数据块，加上一些控制信息构成一个分组，然后将这些相等大小的分组进行传输，下一个节点接受分组后暂时保存并排队等待传输，根据控制信息选择下一个节点传输直到到达。

   • 优点：无需建立、利用率高、比报文交换简化存储（大小固定）且加快传输（利用流水线）、减少出错和重发
   • 缺点：传输时延、增加额外信息量、采用数据报服务可能失序、丢失、重复

2.1.5 数据报与虚电路

分组交换可以进一步分为：

• 面向连接的虚电路方式
• 无连接的数据报方式

1. 数据报

需要发送报文时，高层协议将报文拆成若干有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息形成数据包分组（就是网络层的PDU），找到最佳路由后尽快转发每个分组，不同分组可以有不同路径。

主机A向主机B发送分组的步骤：

1. 主机A将分组逐个发往与其相连的交换节点A，节点A分组缓存
2. 节点A查找自己的转发表（每个时刻发生变化），交给不同中转节点
3. 重复上述步骤直到到达主机B

数据报服务的特点：

1. 不需要提前建立连接
2. 网络尽最大努力交付，不保证传输的可靠性
3. 分组中需要包含发送端和接收端的完整地址来独立传输
4. 分组在交换节点存储转发过程中需要排队等候处理带来时延。
5. 网络具有冗余，某一段节点或链路出现问题可及时更新转发表寻找另一条转发分组，避免故障。
6. 储存转发时延较小
7. 收发双方不独占链路

2.虚电路

该方式试图结合数据报和电路交换方式结合二者优点。分组发送之前需要在发送方和接收方之间建立一条逻辑上相连的虚电路，且一旦建立，该虚电路的物理路径就得到固定。

类似电路交换的三个过程：虚电路建立、数据传输、虚电路释放

每次建立虚电路都需要选择没用过的虚电路号分配给此虚电路。

传送数据时，每个分组不仅需要分组号、检验和控制信息，还有要通过的虚电路号来区别于其他分组（不用较长的目的地址而是更短的虚电路号）。

每个节点都需要维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路信息，包括接受链路和发送链路的虚电路号、前后节点标识。

从主机A到主机B的具体步骤：

1. 主机A和主机B建立逻辑通路，主机A发出一个特殊分组：“呼叫请求”，通过中间节点送往主机B，主机B同意后发送“呼叫应答”分组进行确认
2. 建立虚电路，之后主机A依次向主机B发送分组（也可以反向发送）
3. 发送结束，主机A发送“释放请求”分组拆除虚电路

特点：

1. 需要建立和拆除开销
2. 在建立阶段就确定了路径
3. 提供了可靠通信，保证有序到达，且具备拥塞控制：接收方拥塞时可要求发送方暂缓
4. 致命弱点：某条链路出问题，所有虚电路被破坏
5. 分组首部不包含目的地址，而只是虚电路标号，分组大小更小

2.2 传输介质

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输介质

2.2.2 物理层接口的特性

1. 机械特性：物理连接的边界点（接插装置）
2. 电气特性：二进制位电压高低、阻抗匹配、传输速率
3. 功能特性：电压意义、信号线、控制线的用途
4. 规程特性：物理线路工作规程、时序关系

常用物理层接口标准：EIA RS，ADSL，SONET/SDH

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

又称转发器，功能室是将信号整形、放大、转发，来消除信号在长距离、噪声中传输造成的失真和衰减，扩大传输距离。

转发器的原理是信号再生。中继器有两个端口，将一个端口的输入从另一个端口发送出去，只作用于电气部分，不管数据是否错误或不适用于网段。

使用中继器连接的几个网段依然是一个局域网。中继器的两端一般是相同媒体，由于工作在物理层，无法连接两个具有不同速率的局域网。

中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。

5-4-3规则：10M以太网中，互相串联的中继器不超过4个，用4个中继器串联的5段介质中只有3个段可挂接计算机。

判断网络设备是否可以连接两个不同的协议：判断是否具有存储转发功能。

2.3.2 集线器

集线器（Hub）是一个多端口的中继器，也工作在物理层。Hub工作时，当一个端口接收到信号，由于信号在从端口到Hub的过程中存在衰减，因此Hub将此信号整形放大，进行再生，恢复到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（输入端口以外的）处于工作状态的端口上。如果有两个或以上端口输入则输出冲突，所有数据无效。因此，只起到信号放大和转发作用，来扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力：信号传输方向固定，是标准的共享式设备。

Hub主要用于双绞线共享网络，直接与交换机相连。组成的网络是共享式网络，在逻辑上依然是一个总线网，Hub每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段。Hub只能在半双工下工作，限制了吞吐率。

多台计算机同时通信会发生冲突，但Hub不能分制冲突域：所有端口都属于同一个冲突域。在一个时钟周期只能传输一组信息，如果Hub链接机器较多且需要同时通信，则导致信息碰撞，降低效率。如10M/s的网络通过Hub连接8台计算机，则每台的带宽为1.25M/s

2.4 重点概念

传输媒体

传输媒体并非物理层，而是更低层的信号层面，因此常称为第0层。

基带传输、频带传输、宽带传输

• 基带传输：不经过调制直接在信道上的传输。传输媒体的所有带宽都被基带信号占用。

• 频带传输：将信息调制为模拟信号后进行的传输。可以多路复用。

• 宽带传输：将频带传输的链路分为多个信道，每个信道携带不同信号，就是宽带传输。所有新到可以同时互不干扰地发送信号，增加了链路容量。

同步，异步

同步通信：双方建立同步（时钟周期一致），不停发送和接受连续的比特流。分为全网同步和准同步。

异步通信：发送端发送字符时的时间间隔任意，但接收端必须时刻做好接收准备。发送端必须在开始和结束添加开始位和终止位。异步通信也可以以帧作为单位。

奈氏准则和香农定理

前者为理想状态且没有限制码元的比特数目，后者则规定了传输带宽和信噪比，来得到理论上最大的传输速率。