第2章 物理层
2.1通信基础
基带信号和宽带信号
- 基带信号:将数字信号1和0**直接用两种不同的电压表示,然后直接送到数字信道上去传输。不经过调制,常用于局域网。**
- 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。
- 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
- 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
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。
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。
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。
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。
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
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。
- 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。
- 编码
- 非归零码(NRZ),低电平0,高电平1。
- 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
- 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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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:
- 屏蔽双绞线(STP)、非屏蔽双绞线(UTP)
- 双绞线带宽取决于铜线粗细和传输距离。
- 模拟/数字传输均可用。
- 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:
- 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。)
- 外导体屏蔽层,良好抗干扰。
- 光纤
- 多模光纤:全反射,近距离传输。
- 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
- 无线电波:强穿透,远距离传输。举例:无线手机通信,WLAN。
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。
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。
- 电气特性:规定电压高地、阻抗、传输速率等。
- 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。
- 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)
- 功能:将信号整形并放大再转发出去。
- 原理:信号再生(不是简单放大)
- 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。
- 用途:局域网内扩大网络规模。
- 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。
- 集线器Hub
- 多端口中继器,同时输入会冲突,半双工。
- 主要用于双绞线组件共享网络,
- 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)