物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

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
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性(定义标准)

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
   
2. 电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。

3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
4. 规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气/电磁的表现,是数据在传输过程中的存在形式。
数字信号：信息的参数值是离散的。
模拟信号：取值连续
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点
信道：信号的传输媒介。一般用来表示某一个方向传送信息的介质，因此一条通信新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. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向交互，仅需要一条信道。
2. 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
3. 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

两种数据传输方式

码元：用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
速率：数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
1）码元传输速率：别名码元速率、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个数（也可以称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制，也可以是二进制的。码元速率和进制数无关。一秒传输多少码元
2）信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是b/s。一秒传输多少比特
关系：若一个码元携带n bit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M x n bit/s 带宽：表示在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" ，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s.

2.1.3编码与调制

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输（基带传输）来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，在传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化),距离远，宽带传输。

1. 数字数据编码为数字信号
   用于基带传输中，基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。

(1)非归零编码【NRZ】
编码易实现，没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以保持同步

归0编码【RZ】
信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码方式。(看前半段)
反向不归零编码【NRZI】
信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1.

(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1，前低后高0。也可采取相反规定。特点：在每一个码元的中间出现电平跳变，既作时钟信号（用于同步），又做数据信号，所占频带宽度是原始基带宽度两倍。数据传输速率只有调制速率的1/2。10BaseT即10Mb/s的以太网使用曼彻斯特编码。
(3)差分曼彻斯特
同一异0.
常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同。每个码元中间都有一次电平跳转，自同步。且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
(6)4B/5B编码
比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码四个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。只采用16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码
2. 数字数据调制为模拟信号
数字数据调制就是在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程。

信息传输速率是多少
波形4x4=16种，->码元 log₂16=4 需要4个比特位 1200*4=4800b/s
3. 模拟信号编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）
对音频编码的脉码(脉冲编码)调制(PCM),能够达到最高保真水平的就是PCM编码。包括三步。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：

   f_采样频率>=2f_{信号最高频率}

   
   
2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转化为离散的数字量。
   
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
   
4. 模拟数据调制为模拟信号
   为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。
   

2.1.4 奈奎斯特定理与香农定理

失真
影响失真程度的因素：1.码元传输速率。2.信号传输速率。3.噪声干扰。4.传输媒体质量。

失真的一种现象————码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
1.奈氏准则:在理想低通(无噪声，宽带受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V(b/s)
V指几种码元/码元的离散电平数目。
奈氏准则的结论

1. 任何信道码元传输速率都是有上限的。超过就会码间串扰。
   
2. 信道频带越宽(能通过的信号高频分量多)，就可以用更高速率进行码元传输。
   
3. 奈氏准则给出码元传输速率限制，没有对信息传输率给出限制。
   
4. 提高数据传输率，设法使每个码元携带更多个比特的信息量，需要采用多元制的调制方法。
   2.香农定理
   噪声：存在于所有电子设备和通信信道中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号强，噪声影响小，所以信噪比很重要。
   信噪比=信号的平均功率，常纪为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即：
   信噪比(db)=10log₁₀(S/N)
   香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
   信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N) (b/s)
   

香农定理的推论

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
   
2. 对一定的传输宽带和一定的信噪比，信息传输速率上限就确定了
   
3. 只要信息传输速率低于信道极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
   
4. 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际的要比它低不少。
   

奈氏和香农

算极限速率，奈氏香农都算一遍，取最小值。

2.4 信道复用技术

（1）最基本的频分复用FDM和时分复用TDM。频分复用：用户分配到一定频带，通信过程中始终占用频带，所有用户同样时间占用不同带宽资源。（这里的带宽指频率宽带）时分复用是将等长的时间划分为一段段时分复用帧，每一个用户在每一个帧周期性出现。tdm信号也叫等时信号。不同时间占用同样频带宽度。技术比较成熟，不够灵活，时分复用更有利于数字信号传输。

频分复用，若每一个用户带宽不变，用户增加，信道总带宽跟着变宽。但时分复用，帧长度是不变的。复用器和分用器成对使用。时分复用，由于数据突发性质，分配到的子信道利用率一般是不高的。

统计时分复用 STDM ：提供信道利用率 集中器常使用stdm

每一个stdm帧的时隙数小于集中器的用户数，动态分配，输出线路并不是周期性。异步时分复用。不是固定分配给某个用户，所以要有用户地址信息，不可避免的开销。智能复用器，存储转发。

2.42 波分复用

WDM 光的频分复用。一根光纤同时传输多个频率接近的光载波信号。DWDM密集波分复用。

2.4.3 码分复用

CDM 码分多址 CDMA 每一个用户在同样时间使用同样频带进行通信。由于各用户不同码型不会干扰。很强的抗干扰能力。 CDMA中每一个比特时间再划分m个时间间隔，称为码片。m为64或128

注意知识点

1. 信道不等于通信电路，双向通信电路包含两个信道。多个通信用户共用通信电路，每个用户在该通信电路都会有一个信道
   
2. 报文交换，数据单元是报文。大小不固定。交换结点需要较大存储空间，报文经过中间结点的接收、存储和转发时间较长而且也不固定，不能用于实时通信应用环境(如语音，视频)
   
3. 将基带信号经过调制送到通信线路（模拟信道）上的方式成为频带传输。
4. S/N是信号功率，不是信噪比。
5. 电路交换传输时延最少，不提供差错控制。
6. 频带宽度：信号模拟系统里叫做频宽，指在固定的时间可传输的资料数量，即在传输管道中可以传递数据的能力。

习题

1.测得一个以太网数据的波特率是40M Baund，那么其数据率是？

比特率=波特率xlog₂2=40Mb/s
以太网采用曼彻斯特编码，每一位数据需要两个电平，所以波特率是数据绿的两倍。数据率20Mb/s

2.某信道的波特率为1000 Baud，若令其数据传输率达到4kb/s，则一个码元是几进制的

比特率=波特率xlog₂N N=16

3.无噪声8kHz信道，每个信号包括8级，每秒采样24kHz次，可获得最大传输速率。

2Wlog₂V= 16x3=48kb/s
每秒采集24k次是无效信息。因为超过波特率上限2W。

4.一个信道每1/8s采样一次，传输信号共有16种状态，最大数据传输率是？

采样频率xlog₂V= 16x3=32b/s

5.将1路模拟信号分别编码为数字信号后，和另外7路数字信号采用同步TDM方式复用到一条通信线路上。1路模拟信号的频率变化范围为0~1kHz，每个采样点采样pcm方式编码为4位的二进制数，另外7路数字信号的数据率均为7.2kb/s。复用线路需要的最小通信能力是？

1路采样频率2kHz，采样编码为4位二进制数。数据传输率8kb/s，复用每条支路速率要相等，另外7路速率低于8kb/s，要脉冲填充，数据率提高到相等，8x8=64kb/s

6.

如图所示，所有链路的数据传输速率为100Mbps，分组大小为1000B，其中分组头大小为20B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送开始到H2接收完为止，需要的时间至少是？

去掉头部的分组大小：1000-20=980B 可知共1000个分组。
每个分组的发送时延：t=1000B*8/100Mbps=80us
当第1000个分组发送完成，时间过了1000*80us=80ms
还要再经过两个路由器转发 80ms+160us=80.16ms

7.比较分组交换与报文交换，并说明分组交换优越的原因。

报文交换与分组交换的原理都是：将用户数据加上源地址、目的地址、长度、校验码等辅助信息封装成PDU，发给下个结点。下个结点收到后先暂存报文，传输线路空闲发送给下个结点，重复直到到达目的结点。每个PDU可单独选择到达目的节点的路径。
不同：分组交换的PDU长度短且固定，而报文交换PDU的长度不固定。分组交换缓冲区易于管理；分组平均延迟小，网络中占用的平均缓冲区更少；更易标准化；更适合应用。

8.RTTx带宽的意义是什么？

发送方在收到一个响应之前能够发送的数据量。

2.2 传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它是数据传输系统在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输媒体不是物理层。传输媒体在物理层下面，也称为第0层。传输媒体传输的是信号，但传输媒体不知道传输信号代表什么，但物理层规定了电气特性，因此能识别传送的比特流。
传输介质分类：

1. 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)
   
2. 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水。
   
   
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