【Note】计算机网络课程笔记-Lecture3

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第二章 物理层

物理层基本概念

  1. 物理层功能
  • 位置:物理层是网络体系结构中的最低层不是连接计算机的具体物理设备,不是负责信号传输的具体物理媒介)
  • 功能:传输数据比特流
    • 数据链路层将数据比特流传送给物理层
    • 物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码
    • 然后将信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层
  • 作用:尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异,为数据链路层提供一个统一的数据传输服务
  1. 物理层接口特性:物理层协议是DTE和DCE间的约定,规定了两者之间的接口特性
  • 数据终端设备(DTE):一种具有一定的数据处理和转发能力的设备,可以是数据的源点或终点

  • 数据电路终结设备(DCE):在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能;负责建立、保持和释放数据链路

    • 接收到比特流后,怎么编码?
  • 机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

    • 物理层机械特性:定义接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置

    • 物理层电气特性:规定了DTE/DCE之间多条信号线的电气连接及有关电路特性,如发送信号电平、发送器和接收器的输出阻抗、平衡特性等

    • 物理层功能特性:描述接口执行的功能,定义接线器的每一引脚(针,Pin)的作用

    • 物理层过程特性:对于不同功能的各种可能事件的出现顺序(时序)

  1. 物理层常用标准
  • 点对点通信线路:用于直接连接两个结点
  • 广播通信线路:一条公共通信线路连接多个结点(IEEE802.3:10BASE-T)

数据通信基础

  1. 基本概念
  • 通信:是在源点与终点之间传递消息或者信息,但信息和消息有着不同的概念
    • 消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音和图像等(可以被通信双方所理解,可以相互传递)
    • 信息是指包含在消息中对通信者有意义的那部分内容(消息是信息的载体)
  • 数据:是对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达(是消息的一种表示形式)(消息通过电、光信号来传递,信号是消息的载体)
  • 当信息被表示为数据时,数据中就包含了信息(信息可以通过解释数据来产生)(信息强调处理和使用)
  • 数据分为模拟数据(连续,声音)和数字数据(离散,文本)
  1. 数据的信号表示(数字、模拟的信号、数据表示)
  • 数字数据,数字信号(如0/1表示负电平/正电平,一串离散的、非连续的电压脉冲序列)
  • 数字数据,模拟信号(如ASK、FSK和PSK)
  • 模拟数据,数字信号(如话音信号的PCM调制)(电话信号经过PCM调制)
  • 模拟数据,模拟信号(如AM、FM和PM)
  1. 传输方式
  • 数字通信和模拟通信:用模拟信号来传送消息,模拟通信;用数字信号来传输信息,数字通信。在传输过程中可以相互变换(A/D,D/A)

  • 基带传输和频带传输:按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬其频谱,传输方式可分两类
    • 基带传输:指不搬移信号频谱的传输体制
    • 频带传输:指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制
    • 搬移频谱的目的是为了适应信道的频率特性
  • 串行传输和并行传输
    • 串行传输:数据在一个信道上按位依次传输的方式
      • 所需线路数少,投资省,线路利用率高
      • 在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换
      • 收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输
    • 并行传输:指数据在多个信道上同时传输的方式
      • 在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换
      • 需要n条信道的传输设施,故其成本较高,适用于要求传输速率高的短距离数据传输。
  • 异步传输和同步传输(按照发、收两端实现同步的方法)
    • 异步传输:每一个字符有一个起始位和停止位
    • 同步传输:位同步,帧同步,以数据块为帧
    • 区别:异步传输时钟不同步,同步传输时钟同步
  • 单工,半双工,全双工(按照传输方向和时间的关系)
    • 单工:只能沿着一个方向传送数据信号
    • 半双工:两个站之间可以在两个方向上传送数据信号,但是不能同时进行(双向交替,有转向时间)
    • 全双工:两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号
  1. 传输损耗
  • 误码,抖动,漂移,滑动,时延

  • 干扰:环境干扰,人为恶意干扰

  1. 性能度量
  • 传输速率,调制速率(波特率,调制信号波形的变换次数,单位是波特),数据信号速率(比特率,通过信道的信息量,单位是比特/秒)
    • 相同条件下,进制越大,比特速率越高,但码元差错率也大
  • 带宽:计算机领域(单位时间内从网络中某一点到另一点所能达到的最高数据速率,bit/s)
    • 数字通信 cf. 模拟通信
      • 优点:抗干扰好,保密性好,设备易于集成,便于计算机处理,适合长距离传输
      • 缺点:占用较多的带宽,信道利用率低
    • 模拟信道的容量
      • 香农定律:信道容量C=B(信道带宽Hz)log2(1+S(接受信号功率)/N(噪声功率))
      • 提升模拟信道容量:增加系统带宽,提高信号发射功率,降低噪声
    • 数字信道的容量
      • 奈奎斯特公式:C=2Blog2(M)
      • 可以通过增大码元M来提升容量,但是增大接收器负担
  • 信噪比:信号功率和噪声功率之比10lgPs/Pn (dB),在接收端测量
  • 平均误码率:出错码元数/总码元数
  1. 传输介质(发送器和接收器之间的物理通路)
  • 导引型:电磁波被导向沿着某一媒体传播
    • 双绞线:具有绝缘保护层的两根铜导线绕在一起,适合模拟和数字,距离在几公里到几十公里
    • 同轴电缆:铜芯外面包绝缘再包网状外导体,按阻抗分为基带同轴(50Ω)和宽带同轴(75Ω)
    • 光纤:纤芯折射率大于包层折射率
    • 电力载波:电力线叠加信号
  • 非导引型:电磁波在大气层,外层空间进行无线传播
    • 无线通信:zigbee,蓝牙,微波,优势是省去连线,便于部署和移动
  1. 复用技术:允许用户使用一个共享信道进行通信,避免相互干扰,降低成本,提高利用率
  • 频分复用:将整个带宽分成多份,用户在分到一定的频带后,通信过程中始终占用这个频带
    • 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(频率带宽,而不是数据的发送速率)
  • 时分复用:把时间切片,切成一段段等长的时分复用帧
    • 每个用户占用不同的时隙,每个用户所占的时隙周期性出现
    • 用户在不同的时间占用同样的频带宽度
    • 不足:由于计算机数据的突发性质,会造成线路资源的浪费
  • 统计时分复用:动态地按需分配共用信道,不固定分配时隙,可以提高线路利用率
    • 问题:要加上额外的信息,因为接收方不知道这个时隙是谁在发
  • 波分复用:同一条光纤上使用多个激光器传输不同波长激光
  • 码分复用(CDMA):通过正交的编码方式,不同用户通过不同的地址码区分地址。
    • 利用码序列相关性实现多址通信(相关性分析来分开每个用户的数据)
    • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列,如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。
  • 空分复用:同一个频段在不同空间内得到重复利用
    • 采用自适应列阵天线实现空间分割,每个波束可以提供一个没有其他用户干扰的唯一信道
    • 波束:指向性特别强,指向不同用户
  1. 宽带接入技术:宽带接入网是指能同时承载数据、语音媒体等宽带业务需求的接入网络
  • 从传输介质划分:DSL技术,HFC技术,光接入技术
    • 数字用户线路DSL:“猫”,电话线
    • 非对称的数字用户线ADSL:下行传送高速率的数字信号,上行传送低速率的用户信号