网络（二）物理层

第二章 物理层

2.1 通信基础

一. 基本概念

1. 信道，信号，带宽
   （1）信道：向某一个方向传输的媒体
   （2）信号：数据的电磁或电气表现
   （3）带宽：媒介中信号可使用的最高频率与最低频率之差，又称频带的宽度。单位赫兹Hz
                     另一个定义是信道中数据的传送速率，单位是bps（每秒多少bit）
   （4）码元：在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形
   （5）波特：单位时间内传输的码元速率
   （6）比特率：单位时间内传输的比特
   （7）信源
   （8）信宿

二. 计算机网络的性能

1. 比特：单位bps（b/s）
2. 带宽：
   （1）本来是Hz，但是在网络中是b/s
   （2）常用单位：千比特每秒（Kb/s）
                            兆比每秒（Mb/s）
                            吉比每秒（Gb/s）
               网络中，k，G都是10进制的（\(10^3\)为一个单位）
3. 时延
   （1）传输时延：发送数据时，数据由节点进入传输媒体所需的时间

\[发送时延 = \frac{数据块长度（bit）}{信道宽度（bit/s）} \]

（2）传播时延：电磁波在信道中的的传播速率（20万km/s）
（3）处理时延与排队时延：软件时延（可忽略不计）
【注】：传输时延与数据长度和信道宽度有关
             传播时延只和传输的距离有关

\[总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理或排队时延 \]

三. 奈奎斯特与香农定理

1. 奈奎斯特定理
   （1）无噪声下的码元速率极限值B（波特）与信道带宽的关系：

\[B = 2H(此处带宽的单位是赫兹) \]

（2）对应的（bps）计算：N是一个码元所取的离散值个数

\[C = 2H * log_2N (b/s) \]

2. 香农公式
   （1）有噪声的信道容量公式（bps）

\[C = H * log_2(1 + \frac{S}{N}) \]

（2）\(\frac{S}{N}\)位信噪比：S为信号功率。N为噪声功率

3. 编码
   （1）编码：用不同电压极性或电平值信号代表二进制数据0和1的过程，就称作数字基带信号的编码；其反过程称作解码
   （2）编码分为归零码和曼彻斯特编码
        （a）归零码:信号在一个码元内都要恢复到0。
                码元开始是正电平为1，码元开始是负电平为0
                
        （b）曼彻斯特编码：
                曼彻斯特编码是不归零编码，一个码元内，不用让电平归零。
                而是采用一个码元内，电平升高为1，电平下降为0
                
   （c）拆分曼彻斯特编码：
                每个时钟周期的起始处，电平跳变表示0，电平不跳变表示1
                

四. 电路交换，报文交换，分组交换

1. 电路交换
   （1）电路交换的三个过程
        i.   电路建立
        ii.  数据传输
        iii. 电路拆除
   （2）优点：传输时延小，通讯实时性强，适用于交互式会话类通信。
   （3）缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，不具备数据存储功能，不能平滑网络通信量，不具备差错控制能力，无法纠正传输过程中的数据差错。

2. 报文交换
   （1）报文交换和分组交换都是基于存储转发：数据要经过中间节点若干次存储转发才能到达目的地，因此传输时延较大。
   （2）报文交换传输的报文长度不固定且很长，而分组交换的报文有最大长度限制且较小，所以报文交换的时延比分组交换的大得多

3. 分组交换
   （1）分组交换分为：数据报，虚电路
   （2）数据报：
           面向无连接，提供不可靠服务。它不保证分组不会丢失，也不能保证分组到达主机的顺序和发送顺序一致。但由于每个分组能独立选择路由，所以当网络中一个节点损坏，其他报文还能选择其他路径进行传输。而且，通过高层如TCP的差错控制和流量控制技术可以保证其传输的可靠性，有序性。
   （3）虚电路：
           面向连接，提供可靠服务。保证数据的可靠性和有序性。，但是所有富足都按一样的路径转发，一旦节点出现故障，会导致。因此，对于线路不稳定的网络，虚电路这种重新建立连接的行为非常耗时，所以使用数据报方式更合适。
   （4）数据报与虚电路的其他特点：
           分组交换的结果是容易丢包，因此在分组交换的基础上，加上面向连接的通信方式：虚电路。以保证通信所需的一切网络资源。每个虚电路都会有一个编号，发送分组时也带上这个编号；途经的路由器，看到这个编号后，会转发到相应的某一个路由器，使得每次该线路上的包走的路由器是一致的。保证不会丢包。虚电路和电路交换的区别是：电路交换是物理电路独享，虚电路是物理电路共享，但是走的路由器每次是一样的，形成一个逻辑线路。
           现在的TCPIP协议栈就是数据报服务，这些数据报每次走的路由器都不一样。
           虚电路传输数据前要先建立连接，而数据报不用建立连接。
           因此，是否连接建立，是数据报和虚电路的区别

2.2 传输介质

一. 物理接口层特性

1. 特性

二. 物理层设备

1. 中继器
   （1）放大信号：信号在传输过程中会衰减
2. 集线器
   （1）多端口的中继器
   （2）集线器设备处于同一个广播域（底层设备不能干扰高层概念）
   （3）集线器会放大冲突域