Ch2.物理层
一.物理层基本概念
1.物理层的接口特性
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。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 => 定义标准
二.数据通信基础知识
1.典型的数据通信模型
2.数据通信相关术语
通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）
数据data:传送消息的实体,通常是有意义的符号序列
数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程。
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
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。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
3.设计数据通信系统要考虑的3个问题
1.采用单工通信/半双工/全双工通信方式？
2.采用串行通信/并行通信方式？
3.采用同步通信/异步通信方式？
3.1.三种通信方式
从通信双方的交互方式看,可以有三种基本方式
1)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。
2)半双工通信/双向交替通信
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/双向同时通信
通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
3.2.串行传输&并行传输
3.3.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.
Summary:
4.相关术语
4.1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。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。
4.2速率
数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
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.
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.
1s传输多少个码元
数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关。
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
思考题:
1.某一数字通信系统传输的是四进制码元,4s传输了8000个码元.求系统的码元传输速率是多少?
信息传输速率是多少?
若另一通信系统传输的是十六进制码元,6s传输了7200个码元.求他的码元传输速率是多少?
信息传输速率是多少?
并指出哪个系统传输速率快?
2000Baud,4000b/s;
1200Baud,4800b/s;
十六进制更快
四进制码元系统
码元传输速率就是8000/4=2000Baud，信息传输速率就是2000 log24=4000b/s
十六进制码元系统
码元传输速率就是7200/6=1200Baud，信息传输速率就是1200*log216=4800bit/s
系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较 快
2.已知八进制数字信号的传输速率为1600B。试问变换成二进制数字信号时的传输速率是多 少？
已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s。试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特
4800b/s 1600xlog28 = 4800b/s
1200B log24 = 2 2400➗2= 1200B
4.3带宽
1.模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时（即-3dB),最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)
2.数字设备中：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”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数
据的能力。单位是比特每秒(bpS)。
拥有更宽的带宽也就是有更大的信息运送能力！
三.奈氏准则&香农定理
1.失真
失真的一种现象---码间串扰
2.奈氏准则
在理想低通(无噪声,带宽受限)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.
只有在这两个公式
这带宽才用Hz!I
3.香农定理
1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
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就确定了。
3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5.从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比SN没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上
限。
奈氏和香农侧重点
四.编码&调制
1.基带信号与宽带信号
信道:信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
传输信号 |
模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号） |
|
信道 |
||
传输介质 |
无线信道 有线信道 |
2.编码与与调制
数据====>数字信号 编码
数据====>模拟信号 调制
3.数字数据编码为数字信号
3.1非归零编码
3.2归零编码
3.3反向不归零编码
3.4曼彻斯特编码
3.5差分曼彻斯特编码
3.6 4B/5B编码
4.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。
4x4 = 16种波形==>16种码元
log2 16 = 4 bit
1200x4 = 4800 b/s
5.模拟数据编码为数字信号
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）。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步
抽样、量化、编码。
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能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样
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换为离散的数字量。
3.编码：
把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
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方式；模拟的声音数据是加 载到模拟的载波信号中传输的。
Summary:
五.数据交换
1.为什么要数据交换
2.数据交换方式(电路交换,报文交换,分组交换)
2.1电路交换
2.2电路交换的优缺点
电路交换优点 |
电路交换缺点 |
传输时延小 |
建立连接时间长 |
数据顺序传送,无失序问题 |
线路独占,即使通信线路空闲,也不能提供其他用户使用,信道使用率低 |
实用性强,双方一旦建立物理通路,便可以实时通信,适用于交互式会话类通信 |
灵活性差,双方连接通路中的任何一点出来故障,必须重新拨号建立连接,不适应突发性通信 |
全双工通信,没有冲突,通信双方有不同的信道,不会争用物理信道 |
无数据存储能力，难以平滑通信量 |
适用于模拟信号和数字信号 |
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 |
控制简单,电路的交换设备及控制较简单 |
无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差 错控制 |
2.3报文交换(Message Exchanging)
报文:报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的 完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。
报文交换的原理：
无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单 位是报文，传送过程采用存储转发方式
2.4报文交换的优缺点
报文交换的优点 |
报文交换的缺点 |
无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文。 |
实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延 |
动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。 |
只适用于数字信号 |
提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选 择另一条路径传输 |
由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文， |
提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地 部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道。 |
当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。 |
提供多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址 |
为了降低成本，减少结点的缓冲存 储器的容量， |
在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收 发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、 规格和速度不同的计算机之间进行通信 |
有时要把等待转发的报文存在磁盘上， 进一步增加了传送时延。 |
2.5分组交换
分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组（packet）
分组交换的原理：
分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网 中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、 存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。
2.6分组交换优缺点
分组交换优点 |
分组交换缺点 |
无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信 线路，用户可随时发送分组。 |
尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存 储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理 能力。 |
线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道。 |
每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效 率，增加了处理的时间 |
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。 |
当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失 或重复分组，分组到达目的结点时， |
加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转 发并行操作；传输一个分组比一份报文所需缓冲区小， 减少等待发送时间。 |
要对分组按编号 进行排序等工作，增加了麻烦。若 |
减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输 时延。 |
采用虚电路服务， 虽无失序问题， |
分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信 |
但有呼叫建立、数据传输和虚电路释 放三个过程。 |
3.数据交换的选择
1.传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2.当端到端的通路有很多段的链路组成时， 采用分组交换传送数据较为合适。
3.从信道利用率上看，报文交换和分组交 换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。
