C2 物理层

第2章 物理层

2.1通信基础

• 基带信号和宽带信号

  1. 基带信号：将数字信号1和0**直接用两种不同的电压表示，然后直接送到数字信道上去传输。不经过调制，常用于局域网。**
  2. 宽带信号：借助频带传输，可以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。 宽带传输中所有信号可以同时互不干扰地发送信号，链路容量大大增加。
  3. 频带传输：将基带信号经过载波调制后送到模拟信道上的方式。远距离传输或无线传输

• 相关计算

  1. 码元传输速率：单位时间内传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化次数），单位波特（Baud）。码元可以多进制数，也可以二进制。
     

     波特率：表示信号每秒变化次数。比特率=波特率*log2n

  2. 信息传输速率（比特率或信息速率）：单位时间内传输的二进制码元个数。

  3. 奈奎斯特定理：理想低通信道下极限数据传输率=2WlogV，单位b/s。

  4. 香农定理：带宽受限且由高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率。
     信道的极限数据传输速率=Wlog(1+S/N)，单位b/s。 信噪比=10log10(S/N) 单位dB，如S/N=1000，信噪比30dB。

     传输速率受信噪比、频率带宽、调制速度影响，与信道发送速率无关。

  5. 码元传输的速率是有上限的，一个码元能对应的二进制位数有限。

  6. 正交振幅调制（QAM）：模拟信号->数字数据。数据传输率R=Blog(m*n)，m个相位，每个相位n种振幅

  7. 编码的脉码调制（PCM)：抽样、量化、编码。设原始信号中最大频率为f，采样频率f’必须大于等于f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留模拟信号的信息。

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• 编码
  
  1. 非归零码（NRZ)，低电平0，高电平1。
  2. 曼切斯特编码（以太网）：一个码元分为两个间隔，前高后低表示1。

曼切斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方。每个码元的中间跳变作为收发双方的同步信息。

声音是模拟信号，曼切斯特编码最适合传输二进制数字信号

1. 差分曼切斯特（局域网）：码元为1，前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同。反之则为0。
2. 4B/5B：数据流每4位作为一组，5位码共32种组合，其中16种对应16种不同的4位码，其余16作为控制码。

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• 电路交换、报文交换与分组交换

电路交换
阶段：建立连接、数据传输、连接释放
优点：
(1)通信时延小，适用于传输数量大。
(2)有序传输
(3)没有冲突，不同通信双方有不同的信道。
(4)可用于模拟和数字信号。
(5)实时性强。

缺点：
(1)建立连接时间长。
(2)线路独占，使用效率低。

适用于交互式会话类通信，对突发性通信不适应，系统效率低，不具备存储数据能力，不能平滑网络通信量，无法纠正传输过程中发生的数据差错。

报文交换
携带目标地址、源地址。存储转发。
优点：
(1)无需建立连接
(2)动态分配线路
(3)提高线路可靠性：某条故障重选另一条。
(4)提高利用率，提供多目标服务：一个报文可以发送给多个目的地址。电路交换不能。
缺点：
(1)存储转发，引发延时。
(2)要有较大的缓存空间。

不适用于实时通信应用环境（如语音、视频）

分组交换
优点：
(1)无需建立连接
(2)利用率高，相对于报文交换，简化存储管理。
(3)加速传输
(4)减少出错几率和重发数据量
缺点：
(1)传输延时
(2)需额外信息量
(3)失序、丢失、重新分组

选择传输量大：电路交换；端到端的通路由多段链路组成时，分组交换。

• 分组交换分为：数据报与虚电路

表头	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不要	必须有
目的地址	每个分组有完整的目的地址	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	同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	无序到达	有序到达
可靠性	不可靠（面向无连接）	可靠（面向连接）
对网络故障的适应性	出故障结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输	所有经过故障结点的虚电路不能工作（必须重新建立一条新的虚电路）
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

对于出错率高的传输系统，易出现结点故障，采用数据报方式更合适（虚电路需重新建立）。

虚电路方式试图将数据报和电路交换方式结合起来。阶段：虚电路简历、数据传输、虚电路释放阶段。之所以“虚”，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，它也可能同时与多个结点之间具有虚电路。

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• 补充
  
  1. 并行传输特点：距离短、速度快。串行传输特点：距离长、速度慢。（计算机内部并行传输）
  2. 电路交换是真正的物理线路交换；虚电路交换是多路复用技术，每条物理线路可以进行多条逻辑上的连接。
  3. 虚电路不只是临时性的，它提供的服务包括永久性虚电路（PVC），交换性虚电路（SVC）。前者是提前定义好的，基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接，一个特定会话的虚电路是事先建立好的；而后者是端点之间的一种临时性连接，会话结束就取消。
  4. 数据报保证可靠性需要通过高层协议如TCP的差错控制和流量控制技术可以保证其传输的可靠性，有序性。
  5. RTT表示往返传输时间。（等于两倍单向传输时间）

2.2 传输介质

• 双绞线：

  1. 屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）
  2. 双绞线带宽取决于铜线粗细和传输距离。
  3. 模拟/数字传输均可用。
  4. 距离远时，模拟传输需放大器放大衰减信号；数字传输需用中继器将失真信号整形。

• 同轴电缆：

  1. 50Ω同轴电缆、75Ω同轴电缆。（50主要用于传送基带数字信号，广泛用于局域网；75传送宽带信号，有限电视。）
  2. 外导体屏蔽层，良好抗干扰。

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• 光纤
  
  1. 多模光纤：全反射，近距离传输。
  2. 单模光纤：光纤直径只有一个光的波长，直线传播，远距离传输。

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• 无线传输介质

  1. 无线电波：强穿透，远距离传输。举例：无线手机通信，WLAN。

  2. 微波、红外线、激光：高带宽，发送方和接收方之间有一条视线通路，直线传播。

     红外通信和激光要把传输的信号转为红外光信号、激光信号，再直接在空间中传播。微波频率高、频段宽、信道容量大，沿直线传播，远距离需中继站。

  3. 卫星通信：利用同步卫星作中继来转发微波信号。

     优点：通信容量大、距离远、覆盖广，缺点：端到端延迟时间长，受气候影响，保密性差，误码率高。

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• 物理层接口的特性
  1.机械特性：规定物理连接时的规格、引脚数等。
  
  1. 电气特性：规定电压高地、阻抗、传输速率等。
  2. 功能特性：指明某一电平的电压表示何种意义，接口部件的信号线（数据线、控制线、定位线等）的用途。
  3. 规程特性（过程特性）：工作规程和时序关系。
     

     物理层接口标准：EIA RS-232-C、ADSL、SONET/SDH

2.3物理层设备

• 中继器（转发器）
  
  1. 功能：将信号整形并放大再转发出去。
  2. 原理：信号再生（不是简单放大）
  3. 两个端口，若故障，相邻两个网段的工作受影响。仅作用于信号的电气部分
     

     两端的网络部分是网段，而不是子网。两端一定是同一个协议，不能连接两个速率不同的网段。

  4. 用途：局域网内扩大网络规模。
  5. 5-4-3规则：用4个中继器串联的5段通信介质中只有3个段可以挂接计算机，其余两个段只能用做扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。

注：放大器、中继器都起放大作用，放大器放大模拟信号，原理：衰减信号放大。中继器放大的是数字信号，原理：衰减信号整形再生。

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• 集线器Hub
  
  1. 多端口中继器，同时输入会冲突，半双工。
  2. 主要用于双绞线组件共享网络，
  3. 集线器属于同一冲突域（二层交换机解决），同一个广播域（三层交换机解决）