【Note】计算机网络课程笔记-Lecture3

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、固定和锁定装置等

  • 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