C2 物理层

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本文介绍了物理层的基础概念，包括基带信号与宽带信号的区别、频带传输方式、信号编码技术，以及电路交换、报文交换与分组交换的特点。此外，还详细探讨了各种传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质的特点，并对比了中继器与集线器的功能及应用场景。

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。

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

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。
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。

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。

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。

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。

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。

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。