2、计算机网络知识复习(day02)--物理层

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1、day01-TCP/IP体系结构补充

利用协议栈的概念,说明在互联网中常用的客户-服务器工作方式:

图1-25中的主机A和主机B都各有自己的协议栈。主机A中的应用进程(即客户进程)的位置在最高的应用层。这个客户进程向主机B应用层的服务器进程发出请求,请求建立连接。然后,主机B中的服务器进程接受A的客户进程发来的请求。所有这些通信,实际上都需要使用下面各层所提供的服务。但若仅仅考虑客户进程和服务器进程的交互,则可把它们之间的交互看成是如图中的水平虚线所示的那样。

图1-25在应用层的客户进程和服务器进程的交互

图1-25在应用层的客户进程和服务器进程的交互

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1、物理层基本概念

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,而不是指具体的传输媒体 。物理层的主要任务描述为:确定与传输媒介的接口的一些特性,即定义标准

  • 机械特性:定义物理连接的特性,归档物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数量和排列情况,例如结构形状,大小,引线数目
  • 电气特性:规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等,例如规定电压范围(-5v到+5v)
  • 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,例如规定-5v表示0,+5v表示1
  • 过程特性:也称规程特性,规定建立连接时各个相关部件的工作步骤和时序关系

数据在计算机中多采用并行传输方式。但数据在通信线路(传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输(这是出于经济上的考虑),即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2、数据通信的基础知识

2.1、数据通信系统模型

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如图所示,一个数据通信可划分为三大部分,即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。

源系统一般包括以下两个部分:

  • 源点(source):源点设备产生要传输的数据,例如,从PC的键盘输入汉字,PC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。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器),用户在PC外面看不见调制解调器。

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解调,提取出在发送端置入的消息,还原出发送端产生的数字比特流。
  • 终点(destination):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(例如,把汉字在PC屏幕上显示出来)。终点又称为目的站,或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线,也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

2.2、通信系统常用术语

  • 通信的目的是传送消息(message)  。如话音、文字、图像、视频等都是消息。
  • 数据(data)  是运送消息的实体,通常是有意义的符号序列,这种信息的表示可用计算机处理或产生。
  • 信号(signal)  则是数据的电气或电磁的表现。

信号的分类

  1. 模拟信号,或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。
  2. 数字信号,或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。

2.3、有关信道的几个基本概念

信道

信道(channel)和电路并不等同,信道一般都是用来表示向某一个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。

通信双方信息交互的方式

  1. 单向通信 又称为单工通信,即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
  2. 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(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收,过一段时间后再反过来。
  3. 双向同时通信 又称为全双工通信,即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道,而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。显然,双向同时通信的传输效率最高。

基带信号

来自信源的信号常称为基带信号(即基本频带信号)。将数字0和1直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上去传输(基带传输)。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。基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制

调制可分为两大类:

  • 基带调制:仅仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应。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,因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。

  • 另一类调制则需要使用载波(carrier) 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,这样就能够更好地在模拟信道中传输。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),而使用载波的调制称为带通调制

2.4、码元、速率、波特、带宽

码元

码元是指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,是数字信道中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(低电平),另一种代表1状态(高电平)。

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4进制码元:码元的离散状态有4个,对应于4种高低不同的信号波形,00、01、10/11

速率、波特、带宽

速率也叫数据率,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。

  • 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。码元可以是多进制的,也可以是二进制的,但码元速率与进制数无关。即1s传输多少个码元

  • 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),单位是比特/秒(b/s)。1s传输多少个比特

  • 关系:若一个码元携带n bit的信息量,则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×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。

2.5、奈氏准则和香农定理

不想写,看书

香农定理

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3、常用编码方式

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  • 不归零制(NRZ):正电平代表1, 负电平代表0【每一位没有跳变】
  • 归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0【有了跳变就能明确的知道0/1所占的比例】
  • 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.
  • 反向不归零编码:信号电平翻转表示0.信号电平不变表示1
  • 4B/5B编码

从信号波形中可以看出,曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分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(这叫作没有自同步能力),而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力

4、基本带通调制方法(数字数据调制为模拟信号)

数字数据调制技术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,分别对应于调制 解调器的调制和解调过程。

基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制 (modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种:

  • 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。
  • 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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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(Quadrature Amplitude Modulation)。