计算机网络Day02--物理层（一）

计算机网络Day02–物理层

物理层基本概念

物理层考虑的是怎么才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，而不是具体的传输媒体

作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

用于物流层的协议也称为物流层规程

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主要作用：解决计算机比特传输的问题，即透明的传输比特流，关心的是点到点的问题

透明传输：指不管所传输的数据是怎么样的比特组合，都能在链路上传输

要尽可能屏蔽掉不同的传输媒体和通信手段的差异

信号类型：

铜缆：基于电平

光纤：基于光脉冲

无线：基于微波

物理层的主要任务

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数据通信系统模型

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常用术语

消息：如话音、文字、图像、视频等

数据：运送消息的实体，有意义的符号序列

信号：数据的电气或电磁表现

模拟信号：代表消息的参数取值是连续的

数字信号：代表消息的参数取值是离散度

码元：指在使用时间域的波形表示数字信号的时候，代表离散数值的基本波形

使用二进制编码的时候只有两种码元：0 1 码元

n进制的码元可以表示log2 N bit的数据

数据通信

数据通信指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分

信源是产生和发送数据的源头。信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置，发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先有反变换器转换为原始信号，再发送给信宿

信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，是信号的传输媒介。一个信道可以视为一条线路的逻辑部件

模拟信道：适合传输模拟信号

数字信道：适合传输数字信号

三种通信基本方式：

单向通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道

半双工通信：通信的双方都可以发送消息或接收消息，但不能同时都发送消息或接收消息，需要两条信道

全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收消息，也需要两条信道

基带信号（基本频带信号）

来自信源的信号，直接表达了要传输的信息的信号

基带信号包含较多的低频成分，甚至有直流成分，并不能直接在信道上传输，我们需要对基带信号进行调制

调制

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种数字信号（例如提高振幅）一般法称为编码

带通调制：使用载波进行调制，将基带信号的频率范围搬移到较高的频道，并转为模拟信号，经过载波转换后的信号称为带通信号（指仅在一定范围内能通过信道）调制默认的是带通调制

载波：载波（carrier）可以从字面理解，就是搭载信息（调制信号）的信号。打个比方：信息（调制信号）是货物，载波就是一艘船。搭上这艘船，信息（调制信号）就可以远行了–它们的目标，是星辰大海

基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）

传输的是基带信号，适合短距离传输

大多数局域网使用的是基带传输，如以太网、令牌环网

频带传输，将基带信号经过调制后送到模拟信道上传输

传输的是带通信号，适合远距离传输

常用的编码方式

外同步法：外同步的方法是，发送端发送数据之前先发送同步时钟信号，接收方用这一同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，以此来达到收发双方位同步的目的；自同步法：接收方利用包含有同步信号的特殊编码（如曼彻斯特编码）从信号自身提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，达到同步目的。

不归零制：正电平代表1，负电平代表0

可以进行自同步

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

需要进行外同步

曼彻斯特编码：位周期中心向上跳代表0，向下跳代表1（波形固定）。以太网使用

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终没有跳变。位开始边界有跳表示0，而位开始没跳表示1（波形不固定）。令牌环网使用

由于每个码元的中间都出现电平跳变

信号频率

缺点：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高

例如：曼彻斯特编码相比于不归零编码，需要更多的变换才能传送一个信号

自同步能力

不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率，归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码具有自同步能力

常见的带通调制方法

调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号变化

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
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正交振幅调制（QAM）：一种多元制的振幅相位混合调制，以达到更高传输速率

信道的极限容量

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任何实际的信道都是不理想的，都不可能以任意高的速率进行传输

码元的传输速率越高，或信号的传输距离过远，或噪声干扰过大都会导致，或传媒质量过差都会导致失真会越严重

限制码元在信道传输速率的两个因素

信道运行通过的频率范围（信道带宽）

信噪比

信道的频道越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

码间串扰：接收端收到信号失去了码元间的清晰界限

奈氏准则：码元传输的最高速率=2W（码元/秒）

在带宽为W （Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响在，则码元传输的最高速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此值会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判断成为不可能

信噪比

噪声存在于所有电子设备以及通信信道中

噪声是随机产生的，它的瞬时值可能很大。因此噪声会使得接收端对码元的判决出现错误

但是噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较低

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位

即信噪比= 10 * log10(S/N)

例如：当S/N=10时，信噪比为10dB，S/N=1000时，信噪比为30dB
香农定理：给出了宽带受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输的时候，可以做到不产生误差

信道极限数据传输速率=wlog2(1+S/N) 单位（b/s）

信道的带宽或信道内信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

意义：只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能有办法是吸纳无差错的传输

实际上信道的数据传输速率小于极限传输速率
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典型的交换技术

1电路交换

电路交换技术分为三个阶段：

连接建立：建立一条专用的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）

数据传输：主叫和被叫双方互通电话（一直占用通信资源）

连接释放：释放刚才占用的物理通路（归还通信资源）

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从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。电路的交换的关键是，在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定的传输宽带

3报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带目标地址、源地址等信息。报文交换咋交换结点采用的是存储转发的传输方式

优点：

无需连接：报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路。不存在建立连接时延，用户可以随时发报文

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，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去

提高线路的可靠性、利用率

提供多目标服务

缺点：由于数据要经历存储转发的过程，因此会引发转发时延报文

报文交换的大小没有限制，所以要求网络结点有较大的缓存空间

2分组交换（互联网的核心）

采用存储转发，但解决了报文交换中大报文传输的问题，分组交换限制了每一次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息构成分组。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到达到目的结点。接收端收到报文后剥离首部得到还原成原来的报文

分组在互联网中的转发

位于互联网核心部分的路由器负责分组转发，即进行分组交换

根据首部中含有的目标地址，源地址等重要信息进行转发

每一个分组在互联网中独立选择传输路径

路由器要创建和动态的维护转发表