计算机网络物理层

一、基本概念

1.数据、信号、码元

1. 数据指传送信息的实体。
2. 信号指数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。
3. 数据和信号都可以用模拟的或者数字的来修饰
   • 连续变化称之为模拟
   • 离散取值称之为数字
   • 声音是模拟信号，因为声音是连续的嘛
4. 数据传输方式（同步、异步是通信方式，不是传输方式）：
   • 串行传输：一个一个的比特按照时间顺序传输，距离长，速度慢
   • 并行传输：多个比特通过多条通信信道同时传输，距离短，速度快
5. 码元指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）来表示以为k进制数字
   • 码元代表不同离散值的基本波形，是数字通信中的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，该时长称为码元宽度
   • 1个码元可以携带多个比特的信息量

2.信源、信道、信宿

1. 信源是产生和发送数据的源头
2. 信宿是接受数据的终点
3. 信道
   • 与电路不等同
   • 是信号的传输媒介
   • 一般用来表示某个方向传送信息的介质
4. 双方通信的交互方式
   • 单工通信：无线电广播、电视广播
   • 半双工通信：都可以接受与发送信息，但不能同时进行，需要两条信道
     • 传统以太网采用广播的方式发送信息，因此是半双工通信
   • 双工通信：都可以同时接受与发送信息，需要两条信道

3.速率、波特、带宽

1. 速率（数据率，单位时间内传输的数据量）
   • 码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，码元可以使多进制的，也可以是二进制，单码元速率与进制无关
   • 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，单位是比特/秒
2. 带宽
   • 单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位是比特/秒
   • 原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹

二、奈奎斯特定理（与速率、波特、带宽很有关系）

1. 奈氏准则：理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog2V，极限码元传输速率是2W
2. 在任何信道中，码元传输速率是有上限的，如果传输速率超过这个上限，会出现严重的码间串扰问题，使得接收端可能无法正确识别码元
3. 信道带宽越宽，可以用更高的速率

4. 奈氏准则只对码元传输速率做出限制，但是数据（信息）传输速率并没有进行限制，如果想提高数据的传输速率，要设法使每个码元可以携带更多比特的信息量

   • 假如提到离散值，就当做二进制嘛，如果离散值是4，那么比特数自然是2

三、香农定理（这两个定理很有可能在同一道题目中出现，然后取最小这种陷阱）

1. 香农定理：带宽受限且有白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率传输时，可以做到不产生误差

2. 信道的极限数据传输速率 = Wlog2(1 + S/N)，S/N是信噪比

   • 注意单位是db的情况，数值上等于10log10（S/N）db
3. 信道的带宽或者信噪比越大，信息的极限传输速率越高
4. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息的传输速率的上限是确定的
5. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法实现无误差传输
6. 香农定理得到的是极限传输速率，实际信道能达到的传输速率要比其低不少

四、编码与调制

1. 数据->模拟信号 = 调制
2. 数据->数字信号 = 编码
3. 数字数据->数字信号（基带传输，基本不改变数字数据信号的频率）
   1. 非归零编码（无检错功能，无法判断一个码元的开始和结束）
   2. 曼彻斯特编码（将一个码元分成两个相等的间隔，前高后低表示1，前低后高表示0）
      • 以太网采用曼彻斯特编码，每位数据（一个数据，对应信息传输速率）都需要两个电平（两个脉冲信号，对应码元传输速率），所以波特率是数据率的两倍
   3. 差分曼彻斯特编码（前半个码元与上一个码元后半个相同为1，不同为0）
   4. 4B/5B编码（有点迷乱）
4. 数字数据->模拟信号（调制解调器的调制过程）
   1. 幅移键控（改变振幅）ASK
   2. 频移键控（改变频率）FSK
   3. 相移键控（改变相位）PSK
      • 改变相位，也可以使用奈奎斯特的，相位相当于码元的变化量，也就是离散值
   4. 正交振幅调制（幅移与频移结合起来，不是很懂）QAM
      • 在频率相同的情况下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号，数据传输率公式是：R=2Wlog2(mn)
      • 注意有时候公式可能表示成Blog2(mn)，B代表波特率等于2W
5. 模拟数据->数字信号（调制解调器的解调过程）
   1. 采样定理（奈奎斯特定理）
      • 采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，根据采样定理，当采样频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时（这个地方可能会出题），所得离散信号可以无失真地代表采样的模拟数据
   2. 量化（把连续的电平幅度转换为离散的数字量）
   3. 编码（把量化的结果转化为与之对应的二进制编码）
6. 模拟数据->模拟信号（频分复用）

7. 这个地方还会考察基带传输、频带传输与宽带传输：

   • 基带传输：在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制就在信道上直接进行的传输方式
   • 频带传输：用数字信号对特定频率的载波进行调制，将其变成适合于传送的信号后在进行传输的方式
   • 宽带传输：借助频带传输，将链路容量分解为两个或多个信道，每个信道可以携带不同信号的传输方式

五、电路交换，报文交换，分组交换（极度重要）

1.电路交换：连接建立，数据传输，连接释放（物理通信路径可能有多个中间结点，数据传输期间路径一直独占）

1. 优点
   • 通信时延小（专用通信线路嘛）
   • 有序传输（不会出现失序问题）
   • 没有冲突（不会争抢信道）
   • 适用范围广（数字信号，模拟信号都能用）
   • 实时性强（一旦建立通路，随时通信）
   • 控制简单（都很简单）
2. 缺点
   • 建立连接时间长（平均建立时间太长）
   • 线路独占（即使通信线路空闲，也不能被别人用）
   • 灵活性差（只要通路出了故障，必须重新建立连接）
   • 难以规格化（不同终端很难互相通信，没有差错控制）

2.报文交换：存储转发方式传输

1. 优点
   • 不用建立连接
   • 动态分配线路（当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择合适的空闲线路转发出去）
   • 提高线路可靠性（如果哪条线路坏了，那就换一条没坏的）
   • 提高线路利用率
   • 提供多目标服务（一个报文可以同时发送给多个目的地址）
2. 缺点
   • 由于数据会经历存储转发这个过程，所以会引起转发时延
   • 报文交换对报文大小没有限制，网络结点的缓存空间需要较大
   • 报文大小不固定，不能用于实时通信环境如：语音、视频

3.分组交换：存储转发方式传输，解决报文交换中的大报文问题，以太网就是使用这个

1. 优点
   • 无建立时延
   • 线路利用率高
   • 简化了存储管理
   • 加速传输（分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作和前一个分组的转发操作并行，这种流水线方式减少报文传输时间，缓冲区不足的问题减少）
   • 减少出错概率和重发数据率
2. 缺点
   • 存在传输时延
   • 需要传输额外的信息量（小数据块都要加上源地址等信息）
   • 采用数据报时可能出现失序、丢失、重复分组，还有到达后的排序工作
   • 采用虚电路时，由呼叫建立、数据传输、虚电路释放等过程

六、无连接的数据报与面向连接的虚电路（这个要记住，是分组交换的两种方式）

1.无连接的数据报

1. 主机A先将分组逐个发往与它直接连接的结点A，交换结点A缓存收到的分组（只会存储很短的时间）
2. 查找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，转发表的内容可能不完全相同
3. 其他结点收到分组后，进行类似操作

• 不需要建立连接，随时发送，随时接收
• 尽最大努力交付，传输不保证可靠性（老子尽力了，但结果老子不管）
• 分组中要包括发送端与接收端的完整地址
• 需要排队等候处理
• 对故障适应能力强
• 提高网络吞吐量
• 资源利用率高

2.面向连接的虚电路（数据报与电路交换相结合）

1. 虚电路建立（呼叫请求，呼叫应答）
2. 数据传输
3. 虚电路释放（释放请求，释放应答）
4. 当然也有例外，虚电路也分为两种，一种是永久性虚电路PVC，一种是临时性连接交换型虚电路SVC

• 对于长时间，频繁的数据交换效率极高
• 可靠的通信服务，流量控制
• 对故障适应新差，所以在出错率高的传输系统不适合使用这种传输方式
• 分组首部不包含目的地址，只包含虚电路标识符，开销小
• 之所以是虚电路，虚电路的实际路由可能相同也可能不同，结点之间的链路可以同时有若干虚电路通过
• 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发，并且能保证分组有序到达

七、传输介质：发送设备和接受设备之间的物理通路

1. 导向介质与非导向介质
   • 导向介质：电磁波被导向沿着固体媒介传播
   • 非导向介质：可以是空气，真空，海水
2. 双绞线
   • 屏蔽双绞线
   • 非屏蔽双绞线
3. 同轴电缆
   • 50欧姆同轴电缆：基带同轴电缆
   • 75欧姆同轴电缆：宽带同轴电缆
   • 比双绞线的传输速度快，受限传输速度快是指带宽高，而带宽高是因为它具有更高的屏蔽性，从而有较高带宽

4. 光纤

   • 多模光纤：光的全反射特性
   • 单模光纤
5. 无线传输介质
   • 无线电波
   • 微波、红外线和激光

八、物理层接口的特性

1. 物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性
   • 机械特性：定义物理连接的边界点，规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况，也包含接口形状
   • 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制
   • 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，接口部件的信号线的用途
   • 规程特性：主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系
   • 物理地址是MAC地址，属于数据链路层的范畴，跟物理层的主要任务无关

九、物理层设备

1. 中继器：又称为转发器
   • 将信号整形并放大再转发出去
   • 原理是信号再生而不是简单的放大信号
   • 因为网络标准对信号延迟范围做了标准，所以现实中不能无限使用中继器
   • 放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号
   • 中继器没有存储转发功能，不能连接两个速率不同的网段
   • 注意5-4-3原则，互相串联的中继器个数不超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质只有3段可以挂接计算机
2. 集线器（就是平常用的那个HUB）
   • 本质上是多端口中继器，也就是说还是中继器
   • 如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突
   • 目的是扩大网络的传输范围，不具备信号的定向传送能力，信号传输的方向是固定的，是共享式设备
   • 我们现实所用的集线器感觉像是可以并行的，但其实集线器每一个时钟周期只能传输一组信息，但因为时钟周期人可能感觉不太清楚，所以感觉像是并行的
   • 这个可能有点反直觉，集线器的网络在拓扑结构上属于星型结构
   • 集线器无法解决冲突域与广播域的问题，这两个解决需要到第二层交换机与第三层交换机才能解决

附加：时延问题

1. 时延：指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间
2. 发送时延（传输时延）：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间，发送时延 = 数据帧长度(b) / 信道带宽(b/s)，而且这还是一个主机的情况下，遇到更多的主机和分组，也不一样，比如说2013年联考真题就分为报文交换与分组交换两种情况
3. 传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s)，发送时延（传输时延）发生在机器的内部的发送器中，而传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上。
4. 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错或查找适当的路由等等
5. 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发
6. 往返时延（Round-Trip Time，RTT）也是一个重要的性能指标，它表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时延。对于复杂的网络，往返时延要包括各中间结点的处理时延和转发数据时的发送时延
7. 时延带宽积：时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，任何特定时间该网络线路上的最大数据量——已发送但尚未确认的数据，由于有往返时间的要求，在收到来自接收方的确认信号之前(ACK)，发送方可以最多发送两个这样的时延带 宽积。如果传送的信息量不能填满这样的“管道”，则链路未被充分利用

Comments

😅 Commenting is disabled on this post.