物理层

基本概念

解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，也就是定义标准

1. 机械特性：规定物理连接时采用的规格，接口形状、引线数目、引脚数量

2. 电气特性：规定信号的电压范围，传输速率，距离限制

3. 功能特性：某一电平表示何种意义

典型数据通信模型

信号：数据的电气/电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的

信道：信号的传输媒介，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道

三种通信方式

1. 单工
2. 半双工/双向交替
3. 全双工

数据传输方式

串行传输：表示一个字符的8位二进制数由低到高顺序依次发送

• 适用远距离传输
• 速度慢
• 成本低

并行传输：表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送

• 适用近距离传输
• 速度快
• 成本高

同步/异步传输

同步传输：

• 数据的传送是以一个数据区块为单位
• 在传送时先送出一个或多个同步字符，再发送整批数据

异步传输：

• 将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。
• 发送方可以随时发送小组数据，而接收方不知道这些小组数据何时送来。
• 传送时添加一个字符起始位和一个字符终止位

一些术语

​ 码元：用一个固定时长的信号波形代表不同离散数值的基本波形，这个时长内的信号被称为K进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有N个时（N>2）此时码元为N进制码元

• 也就是说用log₂N位比特就能表示码元的全部离散状态

数据传输速率：

• 码元传输速率：别名波形速率，调制速率，符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元（脉冲个数或信号变化）个数，单位波特(Baud)

  • 只与码元长度有关，与进制数无关

• 信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(也就是比特数)

奈氏准则与香农定理

影响失真的因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

码间串扰

信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差

当接受点收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象称为码间串扰

• 信号频率过大导致

奈氏准则

在理想低通条件(带宽受限，无噪声)下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W为信道带宽(单位Hz)

• 所以数据极限传输率为2Wlog₂V(b/s)，V代表码元的离散电平数目
• 奈氏准则仅指出了码元传输速率的极限，但信息传输速率并没有限制
• 所以要提高信息传输速率只能提高频道带宽或者从码元携带的信息量数目入手,也就是多元制调制法

香农定理

信噪比：信号的平均功率/噪声的平均功率，用S/N，或者db为单位 $$ \small 1db = 10log_{10}(S/N) $$ 香农定理为带宽受限且有噪声的信道中设置了数据传输速率上限值 $$ \small limit = Wlog_2(1+S/N) $$

1. 信道带宽或信道信噪比越大，则limit越高
2. 只要信息传输速率低于limit，就一定能找到某种方法实现无差错传输
3. 实际应用中信道传输速率要比limit低很多

编码与调制

• 基带信号：计算机输出的各种代表文字或图像文件的数据信号，直接表达了要传输的信息的信号
• 基带传输：酱数字信号1，0直接用两种电压表示，再送到数字信道上传输
• 宽带信号：酱基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上传输

数–数

1. 非归零编码(NRZ)：高1低0
   • 无检错能力，难以保持同步
2. 归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复成0
   • 浪费信道资源
3. 反向不归零编码：信号电平翻转表示0，不变表示1
4. 曼切斯特编码：把一个码元分割为两个部分，电平前高后低标为1，前低后高标为0
   • 正因为单个码元中间的一次电平跳变，发/接两方能达成同步效果
   • 所占的频带宽度为原始基带宽度的两倍
   • 数据传输速率只有调制速率的一半
5. 差分曼切斯特编码：同1异0，对比的是当前码元的前半段与上一个码元的后半段的异同
   • 有自同步
   • 抗干扰性强于曼切斯特编码
6. 4B/5B编码：5个bit传输4个bit的数据，编码效率为80%

模–数

1. 抽样：f_采样频率>=2f_{信号最高频率}
2. 量化：将连续的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值
3. 编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码

模–模

主要通过频分复用技术利用带宽资源调制到适合当前信道传输的信号，接收端通过解调器恢复为基带信号

数据交换

电路交换

报文交换

报文：交换传输的数据单元，一次性要发送的数据块，长短不一。

• 无需在站点间建立专用通路，数据传输单位是报文，传送过程采用存储转发

分组交换

常用，与报文交换类似，区别于数据单位的长度，一般选定为128B。

• 采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的地时需要按编号排序。
• 采用虚电路服务时，没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程

数据报方式

1. 将报文分为多个分组，发送到直接相连的节点
2. 节点（A）收到分组后，开始对每个分组检错和路由选择，并发送到下一个节点（C）
3. 节点（C）收到分组P1后，对分组P1进行检错，若正确，则向上一个节点（A）发送确认信息，则A收到确认后丢弃P1副本，
4. 进行上述2.3步的循环直到所有分组到达目的主机

特点：为网络层提供无连接服务

• 不事先为分组的传输确定路径，每个分组独立确定传输路径。
• 传输过程必须携带源地址以及目的地址和分组号
• 分组在交换节点存储转发时需要排队等待处理，产生一定时延。当通信量较大或网络拥塞时，时延将更大，节点将根据情况丢弃部分分组
• 有冗余路径应对节点链路故障
• 不适用于长报文、会话式通信

虚电路方式

模拟真实电路交换方式，主机间通过节点建立逻辑链接，路径上所有节点都要维持虚电路的建立，都维护一张虚电路表，每一项记录一个打开的虚电路信息。

• 分组携带虚电路号作为唯一标识、分组号、检验和控制信息。
• 源主机发送释放请求分组来模拟拆除电路

特点：为网络层提供连接服务

• 首先为分组传输确定路径，然后传输，传输结束拆除连接
• 开销比数据报方式小，不存在乱序、重复、丢失
• 节点不用进行路由选择
• 连接路径中有节点故障时，将导致连接中断，

物理层传输介质

传输介质在物理层的下面，也称为第0层，并不知道传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电器特性，因此能够识别所传输的比特流

• 分为导向性传输介质与非导向性传输介质

导向性传输介质–双绞线

• 并排绞合，减少相邻导线的电磁干扰，再套一层屏蔽层可以进一步提高抗干扰能力。
• 成本低。
• 对于模拟信号传输需要使用放大器发大衰减信号，对于数字信号传输，需使用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

• 由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层、塑料外层构成。分有50Ω和75Ω同轴电缆。

• 50Ω用于传输基带数字信号，也称基带同轴电缆，用于局域网

• 75欧姆用于传输宽带信号，也称宽带同轴电缆，用于有线电视系统

• 成本高，抗干扰性更强，传输距离更远

光纤

• 通过光导纤维传递光脉冲来通信，有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。可见光频率大约为10⁸MHz，带宽远大于其他传输介质。
• 损耗极低，传输距离极远

多模光纤通过发光二极管利用全反射传输多种光信号，易失真，适合近距离传输

单模光纤横向传输，使用激光二极管，衰耗小，适合远距离传输

非导向性传输介质

• 无线电波：穿透能力强，传输距离远，适用于通信领域

• 微波：通信频率高、频段范围宽、数据率高，适用于地面微波接力通信与卫星通信

• 红外线、激光：需要将信号转为红外光信号与激光信号，再传输，特质与微波类似。

物理层设备

中继器

• 再生数字信号，增加信号传输的距离，延长网络长度

• 中继器两端：

  • 网络部分必须为网段，非子网，
  • 网段速率要相同，协议相同
  • 仅作用于电气部分，无检错纠错能力

集线器

• 再生放大信号，转发到其他所有（除输入端口）处于工作状态的端口上
• 不能分割冲突域，连在集线器上的工作主机平分带宽。
• 星型拓扑