第二章 物理层
2.1 通信基础
2.1.1 基本概念
\1. 数据、信号与码元
数据
数据是指传送信息的实体
信号
信号是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。
“模拟的”或“数字的”
①连续变化的数据(或信号)称为模拟数据(或模拟信号);
②取值仅允许为有限的几个离散数值的数据(或信号)称为数字数据(或数字信号)。
数据传输方式
串行传输
串行传输是指一个一个的比特按照时间顺序传输出于经济上的考虑,远距离通信通常采用串行传输
并行传输
并行传输是指多个比特通过多条通信信道同时传输。
码元
码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示一位k进制数字,代表不同离散数值的基本波形,是数字通信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。1码元可以携带多个比特的信息量。左图代表 二进制码元；右图代表 四进制码元。
左图，一个T内的脉冲表示一个码元，且最多可以有2种不同的脉冲，说明最多可代表2种不同的值，即 1 bit 的数据；
右图，一个T内的脉冲表示一个码元，且最多有4种不用的脉冲，说明最多可以代表4种不同的值，即 2 bit 的数据。
同理，八进制码元代表 3 bit 数据。
\2. 信源、信道与信宿
数据通信系统
信源
信源是产生和发送数据的源头
信宿
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。
信道
发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号,而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息,再发送给信宿
信道是信号的传输媒介
个信道可视为一条线路的逻辑部件
噪声源
噪声源是信道上的噪声(即对信号的干扰)及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示
传输信号形式的不同
传送模拟信号的模拟信道
传送数字信号的数字信道
信道按传输介质的不同
无线信道
有线信道
信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分
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)
宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号,然后传送到模拟信道上去传输(称为宽带传输)
通信双方信息的交互方式
单工通信
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或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收信息,此时需要两条信道。
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。
信道的极限容量
信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率
\3. 速率、波特与带宽
速率
速率也称数据率,指的是数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。
码元传输速率
又称码元速率、波形速率等
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
信息传输速率
又称信息速率、比特率等比特率 = 波特率 * log2 N，其中 波特率为 N 进制码元。计算机异步串行通信系统中，使用二进制编码，即 1bit = 1 baud。
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)
带宽
带宽原指信号具有的频带宽度,单位是赫兹(Hz)。
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”。
单位不再是Hz,而是b/s
2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理
\1. 奈奎斯特定理
在理想低通(没有噪声、带宽有限)的信道中
极限码元传输率为2W波特
其中W是理想低通信道的带宽,单位为Hz。
理想低通信道下的极限数据传输率=2W＊log2 V (单位为b/s)
V表示每个码元离散电平的数目码元速率转换成比特速率
结论
1) 在任何信道中,码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰问题(指在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限),使得接收端不可能完全正确识别码元。
2) 信道的频带越宽(即通过的信号高频分量越多),就可用更高的速率进行码元的有效传输。
3) 奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但并未对信息传输速率给出限制,即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。
\2. 香农定理
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率
信道的极限数据传输率=W＊log2(1+S/N) (单位为b/s)
W 为信道的带宽,S为信道所传输信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率。S/N 为信噪比,即信号的平均功率与噪声的平均功率之比,信噪比=10log10(S/N) (单位为dB),
结论:
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)对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限是确定的。
3)只耍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,实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
一个码元对应的二进制位数是有限的。
2.1.3 编码与调制
把数据变换为模拟信号的过程称为调制,把数据变换为数字信号的过程称为编码。
1。数字数据编码为数字信号
(1)归零编码
用高电平代表1、低电平代表0(或者相反)
每个时钟周期的中间均跳变到低电平(归零),接收方根据该跳变调整本方的时钟基准,这就为传输双方提供了自同步机制。
由于归零需要占用一部分带宽,因此传输效率受到了一定的影响。
(2)非归零编码
与RZ编码的区别是不用归零,一个周期可以全部用来传输数据
无法传递时钟信号,双方难以同步,因此若想传输高速同步数据,则需要都带有时钟线。
(3)反向非归零编码
用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1
集成了前两种编码的优点,既能传输时钟信号,又能尽量不损失系统带宽。
USB2.0通信的编码方式就是NRI编码。
(4)曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1;码元0的表示方法则正好相反。
也可采用相反的规定。
在每个码元的中间出现电平跳变,位中间的跳变既作为时钟信号(可用于同步),又作为数据信号,但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。
以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码
(5)差分曼彻斯特编码
常于局域网传輪
在每个码元的中间都有一次电平的跳转,可以实现自同步,且抗干扰性较好。
若码元为1,则前半个码元的平与上码元的后半个码元的电平相同;若码元为0,则情形相反。
(6)4B/5B编码
将欲发送数据流的每4位作为一组,然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。
5 位码共32种组合,但只采用其中的16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码(帧的开始和结束、线路的状态信息等)或保留。
2。数字数据调制为模拟信号
幅移键控(ASK)
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0,而载波的频率和相位都不改变。
比较容易实现,但抗千扰能力差。
频移键控(FSK)
通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0,而载波的振幅和相位都不改变。
容易实现,抗干扰能力强,目前应用较为广泛
相移键控(PSK)
通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0,而载波的振幅和频率都不改变。
它又分为绝对调相和相对调相
正交振幅调制(QAM)
在频率相同的前提下,将ASK与PSK结合起来,形成叠加信号
R=Blog2(mn) (单位为b/s)
设波特率为B,采用m个相位,每个相位有n种振幅,则该QAM技术的数据传输率R
3。模拟数据编码为数字信号
常用于对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)
采样定理:在通信领域,带宽是指信号最高频率与最低频率之差,单位为Hz。因此,将模拟信号转换成数字信号时,假设原始信号中的最大频率为,那么采样频率 f采样 必须大于
等于最大频率f 的两倍,才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
采样
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。
当采样的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, 所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据。
量化
量化是把采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,
编码
编码是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
还可以使用频分复用(FDM) 技术,充分利用带宽资源
电话机和本地局交换机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 电路交换、报文交换与分组交换
1。电路交換
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段连接而成),该路径可能经过许多中间结点。
电路上的任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据,即不会存在存備转发所耗费的时
三个阶段
连接建立
数据传输
连接释放。
优点如下
通信时延小
由于通信线路为通信双方用户专用,数据直达,因此传输数据的时延非常小。当传输的数据量较大时,这一优点非常明显
有序传输
双方通信时按发送顺序传送数据,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,不会出现争用物理信道的问题。
适用范围广
电路交换既适用于传输模拟信号,又适用于传输数字信号。
实时性强
通信双方之间的物理通路一旦建立,双方就可以随时通信。
控制简单
电路交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。
缺点如下
建立连接时间长
电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
线路独占,使用效率低
电路交换连接建立后,物理通路被通信双方独占,即使通信线路空闲,也不能供其他用户使用,因而信道利用率低。
灵活性差
只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障,就必须重新拨号建立新的连接,这对十分紧急和重要的通信是很不利的。
难以规格化
电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信,也难以在通信过程中进行差错控制。
2。报文交换
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。
优点如下
无须建立连接
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,用户可以随时发送报文。
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。
提高线路可靠性
如果某条传输路径发生故障,那么可重新选择另一条路径传输数据, 因此提高了传输的可靠性。
提高线路利用卒
通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道,因而大大提高了通信线路的利用率
提供多目标服务
一个报文可以同时发送给多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的。
缺点如下
由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程,因此会引起转发时延(包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等)。
报文交换对报文的大小没有限制,这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。
主要使用在早期的电报通信网中,现在较少使用,通常被较先进的分组交换方式所取代
3。分组交换
同报文交换一样,分组交换也采用存储转发方式,
解决了报文交换中大报文传输的问题。
交换限制了每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,再加上些必要的控制信息(如源地址、目的地址和编号信息等),构成分组( Packet)。
网络结点根据控制信息把分组送到下一结点,下一结点接收到分组后,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,直到到达目的结点。
优点如下
无建立时延
不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延用户可随时发送分组。
线路利用率高
通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路,因而大大提高了通信线路的利用率
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, 在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理,相对比较容易。
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与前一个分组的转发操作并行,这种流水线方式减少了报文的传输时间。
传输一个分组所需的缓冲区比传输次报文所需的缓冲区小得多,这样因缓冲区不足而等待发送的概率及时间也必然少得多。
减少了出错概率和重发数据量
因为分组较短,其出错概率必然减小,所以每次重发的数据量也就大大减少,这样不仅提高了可靠性,也减少了传输时延。
缺点如下
存在传输时延
尽管分组交换比报文交换的传输时延少,但相对于电路交换仍存在存储转发时延,而且其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
每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息, 从而构成分组,因此使得传送的信息量增大了5%~10%,一定程度上降低了通信效率, 增加了处理的时间,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,因此很麻烦
若采用虚电路服务,虽无失序问题, 但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
2.1.5 数据报与虚电路
分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务,还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。
这两种服务方式都由网络层提供
要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式
1。数据报
端系统发送一个报文时,高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元,并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组(即网络层PDU)。
间结点存储分组很短一段时间,找到最佳的路由后,尽快转发每个分组。
不同的分组可以走不同的路径,也可以按不同的顺序到达目的结点
特点:
发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组,网络中的结点可随时接收分组。
发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址,以便可以独立传输。
网络尽最大努力交付,传输不保证可靠性,所以可能丢失，可靠性由用户保证;
为每个分组独立地选择路由, 转发的路径可能不同,因而分组不一定按序到达目的结点。
分组在交换结点存储转发时,需要排队等候处理,这会带来一定的时延。
通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时,这种时延会大大增加,交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
网络具有冗余路径
当某一交换结点或一段链路出现故障时,可相应地更新转发表,寻找另一条路径转发分组,对故障的适应能力强。
存储转发的延时一般较小,提高了网络的吞吐量
收发双方不独占某一链路,资源利用率较高。
适用于突发通讯，不适用于长报文、会话式通讯。
由用户主机进行流量控制，不保证数据包的可靠性。
2。虚电路
在分组发送之前,要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路,
并且连接一旦建立,就固定了虚电路所对应的物理路径
三个阶段:
三个阶段:虚电路建立、数据传输与虚电路释放。
建立虚电路时,选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路以区别于本系统中的其他虚电路。
在传送数据时,每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息,还要有它要通过的虚电路号,以区别于其他虚电路上的分组。
在虚电路网络中的每个结点上都维持一张虚电路表,表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息,包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。
特点：
必须建立链接
仅在建立连接阶段使用，每个分组使用长度较短的虚电路号
属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
保证分组有序到达
可靠性由网络保证
所有经过故障结点的虚电路都不能正常工作
可由分组交换网负责，也可由用户主机负责
2.1.6 通讯方式和传输方式
通讯方式
单工通讯
只有一个方向的通讯而没有放方向的交互，仅需要一条通道
半双工
通讯双方都可以发送或者接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
全双工
通讯双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道
串行传输 & 并行传输
串行传输
将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送
速度慢,费用低,适合远距离
并行传输
将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送，线路太宽
用于计算机内部数据传输
速度快,费用高,适合近距离
同步传输 & 异步传输
同步传输
在同步传输的模式下,数据的传送是以一个数据区块为单位,因此同步传输又称为区块传输
在传送数据时,需先送出1个或多个同步字符,再送出整批的数据
异步传输
异步传输将比特分成小组进行传送,小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组,而接收方不知道它们会在什么时候到达
传送数据时,加一个字符起始位和一个字符终止位
2.2 传输介质
2.2.1 双絞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
传输介质也称传输媒体,它是发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质。
在导向传输介质中,电磁波被导向沿着固体媒介(铜线或光纤)传播
导向传输介质可以是空气、真空或海水等。
1。双绞线
古老传输介质,它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
屏蔽双绞线(STP)。
在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层
非屏蔽双绞线(UTP)
无屏蔽层的双绞线
带宽取决于铜线的粗细和传输的距离
距离
几千米到数十千米
距离太远时
模拟传输,要用放大器放大衰减的信号
数字传输, 要用中继器将失真的信号整形。
优点
双绞线价格便宜
适用范围广
局域网和传统电话网中普遍使用
模拟传输和数字传输
2。同轴电缆
由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成
按特性阻抗数值的不同,
50欧姆 同轴电缆主要用于传送基带数字信号,又称基带同轴电缆
它在局域网中应用广泛
75欧姆 同轴电缆主要用于传送宽带信号,又称宽带同轴电缆,
主要用于有线电视系统。
优点
良好的抗干扰特性
广泛用于传输较高速率的数据,
传输距离更远
缺点
价格较双绞线贵
3。光纤
由纤心和包层构成,光波通过纤心进行传导,包层较纤心有较低的折射率
光纤传输
利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。
全反射
当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时,其折射角大于入射角。
只要从纤心中射到纤心表面的光线的入射角大于某个临界角度,就会产生全反射
多模光纤
从不同角度入射的多束光线可在一条光纤中传输,
光源为发光二极管
光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,造成失真,因此多模光纤只适合于近距离传输。
单模光纤
光纤的直径减小到仅一个光波长度时,光纤就像一根波导那样,可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射
纤心很细,直径只有几微米,制造成本较高
光源为定向性很好的激光二极管
单模光纤的衰减狡小,合远地传输
4。无线传输介质
无线电波
无线电波具有较强的穿透能力,可以传输很长的距离,所以它被广泛应用于通信领域
因为无线电波使信号向所有方向散播, 因此有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向,就可与无线电波发射者进行通信连接,大大简化了通信连接。
徽波、红外线和激光
相同点
都需要发送方和接收方之间存在一条视线(Line-of- sight)通路,有很强的方向性,都沿直线传播,有时统称这三者为视线介质。
不同点
红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为各自的信号格式,即红外光信号和激光信号,再直接在空间中传播。
微波通信的频率较高,频段范围也很宽,载波频率通常为2~40GHz,因而通信信道的容量大。
微波通信的信号是沿直线传播的,因此在地面的传播距离有限,超过一定距离后就要用中继站来接力。
卫星通信
利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号,可以克服地面微波通信距离的限制。
优点
优点是通信容量大、距离远、覆盖广
缺点
缺点是端到端传播时延长,一般为250~270ms。
2.2.2 物理层接口的特性
机械特性
主要定义物理连接的边界点,即接插装置。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等。
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等
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(数据线、控制线、定时线等)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。
常用的物理层接口标准有 EIA RS-232-C、ADSL和 SONET/SDH等
2.3 物理层设备
2.3.1 中继器
功能
主要功能是将信号整形并放大再转发出去,以消除信号经过一长段电缆后,因噪声或其他原因而造成的失真和衰减,使信号的波形和强度达到所需要的要求,进而扩大网络传输的距离。
原理
原理是信号再生
中继器放大的是数字信号,原理是将衰减的信号整形再生
优点
是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单、最廉价的互联设备。
缺点
若出现故障,对相邻两个网段的工作都将产生影响。
不能连接两个具有不同速率的局域网。
工作在物理层
端口仅作用于信号的电气部分,而不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据
中继器两端的网络部分是网段,而不是子网
连接的几个网段仍然是一个局域网。
没有存储转发功能的
不能连接两个具有不同速率的局域网。
中继器两端的网段一定要使用同一个协议
5-4-3规则
互相串联的中继器的个数不能超过4个,而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机, 其余两段只能用作扩展通信范围的链路段,
放大器
放大的是模拟信号
原理是将衰减的信号放大
2.3.2 集线器
功能
实质上是一个多端口的中继器,它也工作在物理层
一个端口接收到数据信号后,因为传输过程中已有衰减,所以整形放大,紧接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口
如果同时有两个或多个端口输入,那么输出时会发生冲突,致使这些数据都无效。
目的是扩大网络的传输范围,
优点
目的是扩大网络的传输范围,
是从服务器连接到桌面的最经济方案
缺点
不具备信号的定向传送能力,即信号传输的方向是固定的,
是共享式网络,但逻辑上仍是一个总线网
能在半双工状态下工作．
吞吐率受到限制
不能分割冲突域
所有集线器的端ロ都属于同一个冲突域
多台机器经常需要同时通信,那么将导致信息碰撞,使得集线器的工作效率很差
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