计算机网络-物理层

数据、信号和码元

模拟数据

连续变化的数据(或信号) 称为模拟数据(或模拟信号)

数字信号

取值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)。

速率、波特与宽带

波特率

码元传输速率。又称波特率

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)。

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，码元速率与进制数无关。

比特率

信息传输速率。又称信息速率、比特率 等，它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)。

奈奎斯特定理

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。

信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。

奈奎斯特 (Nyquist)定理又称奈氏准则，它规定:

在理想低通(没有噪声、带宽有限)的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W波特，

其中 W是理想低通信道的带宽

若用V表示每个码元离散电平的数目(码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16 种不同的码元，则需要 4 个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4 )，

则极限数据率为

香农定理

香农(Shannon)定理给出了带宽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时，可以做到不产生误差。

香农定理定义为

式中，

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，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，

例如当S/N=10 时，信噪比为 10dB，而当S/N=1000 时，信噪比为30dB。

对于香农定理，可以得出以下结论:

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。
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。
只要信息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。
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。

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。

数宇数据编码为数字信号

1) 归零编码

在归零编码(RZ)中用高电平代表 1、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)，为传输双方提供了自同步机制。传输效率受到了一定的影响。

2) 非归零编码

非归零编码 (NRZ)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。双方难以同步，因此若想传输高速同步数据则都要都带有时钟线。

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。

能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。

USB 2.0 通信的编码方式就是NRZI编码

4）曼彻斯特编码

前高后低为1，前低后高为0

以太网使用的编码方式

5)差分受彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，

若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同

若码元为 0，则情形相反。

可以实现自同步，且抗于扰性较好

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。

基本的数字调制方法有如下几种:

2.1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，但抗干扰能力差。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

模拟数据编码为数宇信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码。

先来介绍采样定理:

采样定理又称奈奎斯特定理。

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(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。

电路交换、分组交换与报文交换

电路交换

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。

这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。

因此，电路交换技术分为三个阶段:

连接建立、数据传输和连接释放。

电路交换技术的特点如下

通信时延小。建立连接时间长
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，线路独占。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。
灵活性差，出现故障需要重新拨号建立连接
难以规格化，不同规格的终端难以通信，难以差错控制

报文交换

报文交换技术的优点如下:

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。
提高线路利用率。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。

报文交换技术的缺点如下:

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（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

分组交换

存储转发模式

分组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)

优点：

无建立时延。
线路利用率高。
简化了存储管理(相对于报文交换)。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 。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一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。

分组交换的缺点如下:

存在存储转发时延。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。

三种交换方式比较

分组交换中的数据报和虚电路

由网络层提供

数据报

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的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 (即网络层的PDU)。

中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

过程

主机A 先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点 A，交换结点A缓存收到的分组
然后查找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，因此转发表的内容可能不完全相同，所以有的分组转发给交换结点 C，有的分组转发给交换结点 D。
网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机 B。

当分组正在某一链路上传送时，分组并不占用网络的其他部分资源。因为采用存储转发技术

资源是共享的，所以主机 A 在发送分组时，主机 B 也可同时向其他主机发送分组。

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。

与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段: 虚电路建立、数据传输与虚电路释放

在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，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。

数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。

过程

为进行数据传输，主机A 与主机 B 之间先建立一条逻辑通路，主机A发出一个特殊的**"呼叫请求"分组**，该分组通过中间结点送往主机 B，若主机 B 同意连接，则发送**"呼叫应答"**分组予以确认。
虚电路建立后，主机 A 就可向主机 B 发送数据分组。当然，主机 B 也可在该虚电路上向主机A发送数据。
传送结束后主机A 通过发送**"释放请求"分组**来拆除虚电路，逐段断开整个连接

特点

虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
虚电路的路由选择体现在连接建立阶段 ，连接建立后，就确定了传输路径
虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。此外，还可以对两个数据端点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送。
虚电路有一个致命的弱点，即当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。