【基础计算机网络2】物理层—

【前言回顾】

【考纲内容】

一、物理层的基本概念

1.1 物理层的主要任务

物理层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，而不是指具体的传输媒介。物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。

1.2 物理层的一些特性

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可以划分为三大部分，即源系统（或发送源、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收方、接收端）。

// 图画

源系统一般包括以下两个部分：

源点：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。

发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是解调器。

目的系统一般包括以下两个部分：

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行调解，提取出在发送端置入的信息，还原出发送端产生的数字比特流。

终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

2.2 一些常用术语

通信的目的是传送消息。

语音、文字、图像和视频等都是消息，数据是运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

信号则是数据的电气或电磁的表现。信号可以分为两类：

模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是连续的。

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不用离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种表示0状态而一种表示1状态。

2.3 有关信道的几个基本概念

信道的概念：信道一般都是用来向某一方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

2.3.1 通信信息的交互方式

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有下面三种基本方式：

单向通信，又称单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信，又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然不能双方同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过段时间后再发过来。
双向同时通信，又称为全双工通信，即通信双方都可以同时发送和接收信息。

来自信源的信号常常称为基带信号。基带信号往往包含较多的低频分量，不能被很好的传输。因此，我们必须要对基带信号进行调制。

2.3.2 调制的分类：

调制可以分为两大类：

第一类是基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它可以与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，大家更愿意将其称为编码。
第二类是带通调制：需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

2.3.2.1 常用的编码方式

不归零制（NRZ）：正电平代表1，负电平代表0
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1，但也可以反过来定义
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1

// 曼彻斯特编码介绍

从信号波形来看，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（没有具备自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

2.3.2.2 基本的带通调制方法

调幅（AM）：即载波的振幅随基带数字信号而变化
调频（FM）：即载波的频率随基带数字信号而变化
调相（PM）：即载波的初始相位随基带数字信号而变化

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如：正交振幅调制QAM

2.3.3 信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

2.3.3.1 信道能够通过的频率范围

在带宽为W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声的影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能。

奈式准则的公式：

$C = B\log _{2}N$

$B = 2\cdot W$

2.3.3.2 信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比	$S / N$
信噪比(dB)	$10 \log_{10}\left ( S / N \right )$
信道的极限信息传输速率C(bit/s)	$C = W \log_{2} \left ( 1 + S / N \right )$

2.4 物理层下面的传输媒体

2.4.1 导引性传输媒体

2.4.1.1 双绞线

概念：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。

在传输高速数据的情况下，为了提高双绞线抗电磁干扰的能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的串扰，可以采用增加双绞线的绞合度以及增加电磁屏蔽的方法。

双绞线的分类为：

无屏蔽双绞线（UTP）
屏蔽双绞线（STP）

2.4.1.2 同轴电缆

概念：同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及绝缘保护套层所组成。由于外导体层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

在初期广泛使用同轴电缆作为传输媒体。随着科技的进步，局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用于有线电视的居民小区中。同轴电缆的质量取决于电缆的质量。

2.4.1.3 光缆

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信的，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。光纤通常是由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

光纤的优点：

通信容量非常大；
传输消耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济；
抗雷电和电磁干扰性能好；
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据；
体积小，重量轻。

2.4.2 非导引性传输媒体

2.5 信道复用技术

三、电路交换、报文交换和分组交换

3.1 电路交换（建立连接，通信和释放连接）

在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐端连接而成），该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才会被释放。

电路交换的优点：

通信时延小。由于是通信双方直接连接，数据直达。
有序传输。不存在失序问题。
没有冲突。不同的通信双方拥有不同的信道。
适用范围广。既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号。
实时性强。物理通路一旦建立，双方就可以随时通信。
控制简单。电路交换的交换设备及控制均叫简单。

电路交换的缺点：

建立连接时间长。电路交换的平均连接时间对于计算机来说太长。
线路独占。使用效率低。
灵活性差。对于十分紧急和重要的通信是很不利的。
难以规格化。不同类型、不同规格、不同速率的终端之间难以进行互相通信。

3.2 报文交换（存储转发）

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

报文交换的优点：

无须建立连接。不存在建立连接时延，随时发送报文。
动态分配线路。交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路。
提高线路可靠性。某条线路如果出现故障，那么可以重新选择一条线路。
提高线路利用率。不是固定的占用一条通信线路。
提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目标地址。

报文交换的缺点：

由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会产生转发时延。
报文交换对报文的大小没有限制，要求网络结点需要有较大的缓存空间。

3.3 分组交换（存储转发）

分组交换的过程：同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式。分组交换限制了每次传送数据的数据块的大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，在加上控制信息，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，直到到达目标地址。

分组交换的优点：

无建立时延。不存在建立连接时延，用户可以随时发送分组。
线路利用率高。在不同的时间一段一段地部分占有物理链路，大大提高了通信链路的利用率。
简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定。
加速传输。分组是逐个传输的，使得操作进行并行传输。
减少了出错概率和重发数据量。分组较短，出错概率必然减小，每次重发的数据量小很多。

分组交换的缺点：

存在存储转发时延。相对于电路交换仍然存在存储转发时延，而且结点交换机必须具有更强的处理能力。
需要传输额外的信息量。每个数据块要携带源地址、目的地址和分组编号等信息。在一定程度上增加了处理时间，使控制复杂，时延增加。
当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，因此麻烦。若采用虚电路服务，虽然没有无序问题，但是有建立连接、数据传输和虚电路释放三个过程。