计算机网络一、物理层

物理层的主要功能

1. 物理层必须要清楚的要点

物理层考虑的是怎样才能在连接计算机的传输媒体上透明传输比特流，而不是指具体的传输媒体。

几个术语

• 数据(data)——运送消息的实体。
• 信号(signal)——数据的电气表现。
• “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
• “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

2. 物理层要解决的主要问题

物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。

3. 物理层的主要功能

3.1 为数据端设备提供传送数据的通路

为设备提供传送数据的通路：数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。

3.2 传输数据

传输数据：物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（bit）数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。

3.3 完成物理层的一些管理工作

注：数据在计算机中多采用并行传输方式。但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输(这是出于经济上的考虑)，即逐个比特按时间顺序传输。因此，物理层还要完成传输方式的转换。

4. 物理层的主要任务

4.1 机械特性

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

4.2 电气特性

电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

4.3 功能特性

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

4.4 过程特性

过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
注：可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的特性。

5.有关信号的几个基本概念

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

6.基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。
带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

几种基本的调制方法

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
• 正交振幅调制QAM

信道复用技术

参见：https://blog.youkuaiyun.com/qq_28602957/article/details/53467950
复用技术是指一种在传输路径上综合多路信道，然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。
为什么采用信道复用技术？

答：因为当有 n 个计算机需要通信时，如果不采用信道复用，则需要 n 条信道，如此造成大量资源浪费。那能不能让这 n 个计算机共用一条在发送端拥有复用器，在接收端拥有分用器的信道以达到省钱的目的呢?

• 频分复用技术：
  给这条信道的所有用户按照频率分配不同的带宽资源。当用户量足够大的时候，信道会变得异常拥挤。

• 时分复用技术：
  一条信道的所有用户按照就不同时间占用相同的带宽资源。当某一用户有大量数据传输，其他用户不进行数据传输时，会使得效率极低。

• 统计时分复用技术：
  各用户有发送数据的需求时就直接发送数据到集中器的缓存中，集中器再扫描缓存内容发送出去。这种复用技术是按需分配，极大的提高了信道利用率。

• 波分复用技术
  人们从载波电话的频分复用的概念得到启示，采用一根光纤传输不同频率的光载波信号，但是由于光载波的频率很高，所以习惯上将这种光的频分复用称作波分复用。

• 码分复用技术
  各个用户在相同时间采用相同的频带，使用经过特殊挑选的不同码型的数据进行通信，这种方式使得不同用户之间不会造成干扰。

7.交换方式

一、电路交换

固定电话之间的通信方式就是电路交换，两台电话机之间通过一根电话线进行通话。 电话之间是同过交换机将许多的电话连接起来，从而可以使其两两之间可以相互的通话。而交换机就是起着交换的作用。当许多交换机连接起来就构成了一个巨大的电话网络。

交换：（将物理链路虚拟化）按照某种方式动态的分配传输线路的资源。

当电话铃声响起，接通后通信双方之间就建立起了一条用于通信的物理通路。这条通路就是通信两端所占用的通信资源，而这份通信资源在双方结束通话前，是不能被其他的用户所占用的，具有独占性，只有在通信完毕后交换机才会释放这份通信资源。
【1】电路交换是面向连接的，安全性好，可靠性高

【2】通话的时间内，通话的两个用户始终占用着端对端的资源。

【3】电路交换的个步骤：建立连接（占用通信资源）— 通话（始终占用通信资源） —释放连接（释放通信资源）

缺点：线路的传输效率低，对于计算机的是数据交换来说，计算机机数据的传输是突发性的，在被用户占用的通信资源在大部分的时间里都是空闲着的，因此浪费了大量的通信资源。

二、分组交换

分组交换采用存储转发的技术，路由器使用分组交换的技术
报文：我们要发送的整块数据称为一个报文
分组：在发送前将较长的报文划分为较小的数据段，每个大小为的1024 bit,每个数据段前加一个保存控制信息的首部就构成了一个分组。每个分组又称为包，而首部又称为包头，是互联网中传输的是数据单元。

首部：其中包含了目的地址源地址等重要信息，因此，分组才能在网络中选择正确的路径。

路由器每收到一个分组，先将其存储下来，再根据分组的首部，检查转发表，将其转发到另一个路由器。经过不断的转发最终将分组转发到目的地址。路由器之间必须不交换彼此掌握的路由信息，来创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表的信息能够不断更新。
短分组存储在路由器的内存中，提高了转发的速率。

分组转发的过程中，转发时之占用到下一个路由器之间的来链路，动态的占用一段一段的链路，并不会占用整个端对端的通信线路，对于突发性的计算机数据传输来说，提高通信资源的利用率。

• 优点：

1. 高效：在分组的传输过程中是动态的分配传输带宽的，对通信链路是逐段占用的
2. 灵活：为每一个分组独立选则最合适的转发路由
3. 迅速：以分组作为传输单位可以先不建立连接就能向其他主机转发分组
4. 可靠：保证可靠性的网络协议，分布式的多路由交换的分组交换网，使网络有很好的生存性

• 缺点：

  1. 时延：分组转发时需要排队会造成一定的时延。
  2. 分组携带的（首部）控制信息也带来了一定的额外开销
  3. 整个分组交换网需要专门的管理和控制机制

三、报文交换

在古代的邮政通信，也属于存储转发的技术，在近代的电报通信采用了基于存储转发的报文交换。

报文交换的本质与分组交换类似，都是进行断续的转发，先将数据转发到某一节点，再将数据转发到下一节点，直至到达目的地址。

与分组交换的最大区别就是，在传输时并不将报文分成小的分组，而是对于整个报文进行转发。

三种交换的主要特点：
电路交换：整个报文从源点到达终点，不中断，像在一条管道中传输
分组交换：将报文分成多个分组，再将单个分组传送到相邻的节点，存储下来，再根据转发表进行转发到笑一个节点
报文交换：整个报文传输到相邻节点，存储下来，再根据转发表，转发到下一个节点

8中继器和集线器

• 1.中继器
  中继器(Repeater)是连接网络线路的一种装置,常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器负责在两个节点的物理层上按位传递信息,完成信号的复制、调整和放大功能,以此来延长网络的长度。
  它完成物理线路的连接,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同。

  中继器是模拟设备，用于连接两根电缆段。中继器不理解帧、分组和头的概念，他们只理解电压值。

• 2.集线器
  集线器（Hub）是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器在OSI／RM中的物理层。