一、通信基礎(chǔ)

1. 基本概念

1.1 物理層接口特性

• 物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸比特流，不指定具體的傳輸媒體
• 主要任務(wù)：確定與傳輸媒體接口有關(guān)的一些特性 → 定義標準
• 接口特性：
  1. 機械特性：定義物理連接的特性，規(guī)定物理連接時所采用的規(guī)格、接口形狀、引線數(shù)目、引腳數(shù)量和排列情況。
  2. 電氣特性：規(guī)定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等。（eg.電平使用具體數(shù)值表示的二進制位）
  3. 功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平表示何種意義，接口部位的信號線的用途。（eg.引腳處于高電平時的含義）
  4. 規(guī)程(過程)特性：定義各條物理線路的工作規(guī)程和時序關(guān)系。

1.2 典型的數(shù)據(jù)通信模型

1.3 相關(guān)術(shù)語

• 通信的目的：傳送消息(語音、文字、圖像、視頻等)。
• 數(shù)據(jù)通信：在不同計算機之間傳輸表示信息的二進制數(shù)0、1序列的過程。
• 數(shù)據(jù)data：傳送信息的實體，通常是有意義的符號序列。
• 信號：數(shù)據(jù)的電氣/電磁的表現(xiàn)，是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的存在形式。
  1. 數(shù)字/離散信號：消息的參數(shù)的取值是離散的
  2. 模擬/連續(xù)信號：消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的
• 信源：產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)的源頭
• 信宿：接收數(shù)據(jù)的終點
• 信道：信號的傳輸媒介，一般表示向某一個方向傳送信息的介質(zhì)
  1. 一條通信連路包含：1個發(fā)送信道+1個接收信道
  2. 按傳輸信號分：模擬信道、數(shù)字信道
  3. 按傳輸介質(zhì)分：無線信道、有線信道

1.4. 設(shè)計數(shù)據(jù)通信需要考慮的問題

三種數(shù)據(jù)通信方式

• 單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。eg.廣播
• 半雙工通信/雙向交替通信：通信的雙方都可以發(fā)送或接受信息，但任何一方都不能同時發(fā)送和接收，需要兩條信道。eg.對講機
• 全雙工通信/雙向同時通信：通信雙方可以同時發(fā)送和接受信息，也需要兩條信道。eg.電話

兩種傳輸方式

• 串行傳輸：一個字符的8位二進制數(shù)按由低位到高位的順序依次發(fā)送。速度慢、費用低、適合遠距離。
• 并行傳輸：一個字符的8位二進制數(shù)同時通過8條信道發(fā)送。速度快、費用高、適合近距離

實現(xiàn)同步的傳輸/通信方式

• 同步/區(qū)塊傳輸：以一個數(shù)據(jù)區(qū)塊block為單位，同步時鐘。在傳送數(shù)據(jù)時，需先送出1個或多個同步字符，再送出整批的數(shù)據(jù)。
  
• 異步傳輸：將比特分成小組進行傳送，小組可以是8位的1個字符或更長。發(fā)送發(fā)可以在任何時刻發(fā)送這些比特組，接收方不知道他們會在什么時候到達，傳送時，需加一個字符起始位和一個字符終止位。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸速率術(shù)語

• 碼元：用一個固定時長的信號波形(數(shù)字脈沖)代表不同離散數(shù)值的基本波形，這個時長內(nèi)的信號成為k進制碼元，該時長稱為碼元寬度。k進制碼元——離散狀態(tài)k個——不同的信號波形表示位log₂K
• 速率/數(shù)據(jù)率：數(shù)據(jù)的傳輸速率，表示單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
  1. 碼元傳輸速率，碼元速率，波形速率，調(diào)制速率，符號速率：表示單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸碼元個數(shù)（脈沖個數(shù)/信號變化的次數(shù)），單位B/Baud；碼元速率與進制無關(guān)，只與碼元長度T有關(guān)
  2. 信息傳輸速率，信息速率，比特率：單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)?strong>二進制碼元個數(shù)，即比特數(shù)，單位比特/秒(b/s)
  3. 關(guān)系：若一個碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為M * n bit/s
• 波特：設(shè)備每秒鐘發(fā)生信號變化的度量，表示每秒鐘內(nèi)通信線路狀態(tài)改變的次數(shù)。代表信號的變化，而不是傳輸數(shù)據(jù)的多少
• 帶寬Bandwidth：
  1. 模擬信號系統(tǒng)中：最高頻率和最低頻率的差值，單位赫茲Hz
  2. 數(shù)字設(shè)備：單位時間內(nèi)通過鏈路的數(shù)量，表示網(wǎng)絡(luò)通信線路所能傳輸?shù)哪芰?，單位比特每秒bps，bit/s

2. 兩個公式

2.1 奈氏準則(奈奎斯特定理)

• 影響失真程度的因素：碼元傳輸速率；信號傳輸距離；噪聲干擾；傳輸媒體質(zhì)量
• 失真的一種現(xiàn)象：碼間串擾
  1. 信道帶寬：信道能通過的最高頻率和最低頻率之差
  2. 碼間串擾：接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現(xiàn)象
• 奈氏準則：在理想低通(無噪聲，帶寬受限)條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，單位是Hz
  1. 在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?/li>
  2. 信道的頻帶越寬(即能通過的信號高頻分量越多)，就可用更高的速率進行碼元的有效傳輸
  3. 奈氏準則給出碼元傳輸速率的限制，但沒有對信息傳輸速率給出限制
  4. 要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，需使每個碼元攜帶更多個比特的信息量，即采用多元制的調(diào)制方法
• 理想低通信道下的極限數(shù)據(jù)傳輸率 = 2 W log₂V (b/s)

2.2 香農(nóng)定理

• 信噪比 = 信號的平均功率 / 噪聲的平均功率，記為S/N（比值，無單位），并用分貝dB作為度量單位
• 香農(nóng)定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產(chǎn)生誤差，信息的數(shù)據(jù)傳輸速率有上限值
  1. 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高
  2. 對一定的傳輸帶寬、信噪比，信息傳輸速率的上限就確定了
  3. 只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實現(xiàn)無差錯的傳輸
  4. 香農(nóng)定理得出的是極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要低不少
  5. 若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限(不可能)，則信道的極限信息傳輸速率也沒有上限
     

2.3 公式比較

3. 編碼與調(diào)制

3.1 基帶信號與寬帶信號

• 信道：信號的傳輸媒介，表示向某一個方向傳送信息的介質(zhì)，包含1條發(fā)送信道 + 1條接收信道
  1. 傳輸信號：模擬信道(傳送模擬信號)，數(shù)字信道(傳送數(shù)字信號)
  2. 傳輸介質(zhì)：無線信道，有限信道
• 信道上傳送的信號
  1. 基帶信號：來自信源的信號，發(fā)出的直接表達了要傳輸信息的信號；將數(shù)字信號1、0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數(shù)字信道上去傳輸（基帶傳輸）
  2. 寬帶信號：把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，將信號頻率范圍搬移到更高的頻段以便傳輸；將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號，再送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）
• 近距離：基帶傳輸(信號不易變化)；遠距離：寬帶傳輸(過濾出基帶信號)

3.2 編碼與調(diào)制

• 數(shù)據(jù) → 數(shù)字信號【編碼】
• 數(shù)據(jù) → 模擬信號【調(diào)制】
  

3.3 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

• 非歸零編碼NRZ：高1低0
  · 優(yōu)點：編碼易實現(xiàn)
  · 缺點：沒有檢錯功能；無法判斷一個碼元的開始和結(jié)束，以至收發(fā)雙發(fā)難以保持同步
• 曼徹斯特編碼：將一個碼元分成兩個相等的間隔，規(guī)定：前高后低為1、前低后高為0(反之亦可)
  · 優(yōu)點：位中間的跳變既作時鐘信號(用于同步)，又作數(shù)據(jù)信號
  · 缺點：所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的2倍
  · 數(shù)據(jù)傳輸速率(1s傳輸?shù)拿}沖個數(shù)為兩個：開頭+中間)只有調(diào)制速率的?
• 差分曼徹斯特編碼：同1異0，常用于局域網(wǎng)傳輸
  · 優(yōu)點：自同步，抗干擾性強于曼徹斯特編碼
  
• 歸零編碼RZ：信號電平在一個碼元內(nèi)恢復(fù)到零
  · 缺點：處于低電平位的碼元多時，信道浪費
• 反向不歸零編碼NRZI：信號電平翻轉(zhuǎn)為0，不變?yōu)?
  · 缺點：全1數(shù)據(jù)同NRZ
• 4B/5B編碼：比特流中打破一系列的0/1，即用5個比特來編碼4個比特的數(shù)據(jù)，再傳給接收方；編碼效率為80%

3.4 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為模擬信號

數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)：
在發(fā)送端將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制）
在接收端將模擬信號還原為數(shù)字信號（調(diào)制解調(diào)器的解調(diào)）

3.5 模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

• 音頻數(shù)字化：將模擬音頻通過采樣、量化轉(zhuǎn)化成有限個數(shù)字表示的離散序列，以方便計算機內(nèi)部處理二進制數(shù)據(jù)（數(shù)字音頻）
• 脈碼調(diào)制PCM：能夠達到的最高保真水平，步驟：抽樣、量化、編碼
  1. 抽樣：對模擬信號周期性掃描，將時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。采樣定理：f_采樣頻率 ≥ 2 f_{信號最高頻率}
  2. 量化：把抽樣后的電平幅值按一定分級標度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字值并取整，即將連續(xù)的電平幅值轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量
  3. 編碼：量化結(jié)果轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的二進制編碼

3.6 模擬數(shù)據(jù)編碼為模擬信號

• 目的：實現(xiàn)傳輸?shù)挠行?/li>
• 方式：頻分復(fù)用技術(shù)，以充分利用帶寬
• 電話機、本地交換機使用模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù)，模擬的聲音數(shù)據(jù)是加載到模擬的載波信號中傳輸

4. 數(shù)據(jù)交換方式

• 交換是通過某些交換中心將數(shù)據(jù)進行集中和傳送
• 交換設(shè)備：傳輸線路為各個用戶共用，從而大大節(jié)省通信線路，降低系統(tǒng)費用
  

4.1 電路/線路交換Circuit Exchanging

• 原理：傳輸期間，源結(jié)點與目的結(jié)點間有一條由中間結(jié)點構(gòu)成的專用物理連接線路，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，線路一直保持
• 階段：建立連接(呼叫/電路建立) → 通信(數(shù)據(jù)傳輸) → 釋放連接(拆除電路)
• 特點：獨占資源，用戶始終占用端到端的固定傳輸帶寬。適用于遠程批處理信息傳輸或系統(tǒng)間實時性要求大的大量數(shù)據(jù)傳輸
• 優(yōu)點：
  1. 傳輸時延小
  2. 數(shù)據(jù)順序傳送，無失序
  3. 實時性強，適用于交換式會話類通信
  4. 全雙工通信，通信雙方各有信道，沒有沖突
  5. 適用于模擬信號和數(shù)字信號
  6. 控制簡單，電路的交換設(shè)備及控制較簡單
• 缺點：
  1. 建立連接時間長
  2. 線路獨占，信道使用效率低
  3. 靈活性差，雙方連接通路中有任何一點出了故障，必須重新?lián)芴柦⑦B接，不適應(yīng)突發(fā)性通信
  4. 無數(shù)據(jù)存儲能力，難以平滑通信量
  5. 電路交換時數(shù)據(jù)直達，不同類型、規(guī)格、速率的終端很難相互進行通信
  6. 無法發(fā)現(xiàn)與糾正傳輸差錯，通信過程中差錯控制難

4.2 報文交換Message Exchanging

• 報文message：網(wǎng)絡(luò)中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，即站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。包含了將要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)信息，長度不限且可變。
• 原理：存儲轉(zhuǎn)發(fā)，無需在兩個站點間建立專用通路，數(shù)據(jù)傳輸單位是報文
• 階段：報文(目的+地址)
  1. 每個節(jié)點收下整個報文后，暫存報文并檢查
  2. 需要輸出的電路空閑時，利用路由找到并傳送給下一個節(jié)點
     
• 特點：不占用信道
• 優(yōu)點：
  1. 可隨時發(fā)送報文，無需建立連接，無連接時延
  2. 動態(tài)分配線路，平滑通信量
  3. 提高線路可靠性，某條傳輸路徑故障可重新選擇
  4. 提高線路利用率，多個報文可共享信道
  5. 提供多目標服務(wù)，一個報文可同時發(fā)往多個目的地址
  6. 存儲轉(zhuǎn)發(fā)易實現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換和速率匹配，收發(fā)雙發(fā)可以不同時處于可用狀態(tài)，便于類型、規(guī)格、速度不同的計算機間通信
• 缺點：
  1. 實時性差，存儲轉(zhuǎn)發(fā)會引起轉(zhuǎn)發(fā)時延，不適合傳送實時或交互式業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)
  2. 只適用于數(shù)字信號
  3. 報文長度不限，需要網(wǎng)絡(luò)中每個結(jié)點有較大的緩沖區(qū)；若存儲在磁盤上，則進一步增加傳送時延

4.3 分組交換Packet Exchanging

• 分組packet：實際上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成小塊，逐塊(分組)發(fā)送
• 原理：存儲轉(zhuǎn)發(fā)，限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度
• 階段：報文接收存儲 → 按一定長度分組 → 以分組為單位傳輸交換 → 接受結(jié)點將分組組裝成信息或報文
  
• 優(yōu)點：
  1. 無建立時延，無需專用通信線路，用戶可隨時發(fā)送分組
  2. 線路利用率高，多個分組可共享信道
  3. 簡化存儲管理，緩沖區(qū)大小固定
  4. 加速傳輸，存儲與轉(zhuǎn)發(fā)可并行操作，減少等待發(fā)送時間
  5. 減少出錯幾率和重發(fā)數(shù)據(jù)量，提高可靠性，減少傳輸時延
  6. 分組短小，適合計算機之間突發(fā)式數(shù)據(jù)通信
• 缺點：
  1. 存在轉(zhuǎn)發(fā)時延，結(jié)點交換機必須具有更強的處理能力
  2. 每個分組增加控制信息，降低了通信效率、增加處理時間
  3. 分組交換可能出現(xiàn)失序(虛電路，增加：呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸、虛電路釋放)、丟失或重復(fù)分組，目的節(jié)點需重新排序

4.3.1 數(shù)據(jù)報方式

• 數(shù)據(jù)報方式為網(wǎng)絡(luò)層提供無連接服務(wù)(不事先為分組的傳輸確定傳輸路徑，每個分組獨立確定，不同分組的傳輸路徑可能不同)
• 同一報文的不同分組到達目的結(jié)點是可能發(fā)生亂序、重復(fù)與丟失(重新排序)
• 每個分組在傳輸時，需排隊等候，會出現(xiàn)時延，交換結(jié)點還可能根據(jù)情況丟棄部分分組(重發(fā))
• 網(wǎng)絡(luò)具有冗余路徑，對故障適應(yīng)能力強，適用于突發(fā)性通信，不適于長報文、會話式通信

4.3.2 虛電路方式

• 虛電路方式為網(wǎng)絡(luò)層提供連接服務(wù)(首先為分組的傳輸確定傳輸路徑，然后沿此傳輸系列分組，最后拆除連接)，源節(jié)點與目的結(jié)點間建立的是邏輯連接，非實際物理連接
• 所有分組通過虛電路順序傳送，無需攜帶源地址、目的地址等；包含虛電路號，相對開銷小，不會亂序、重復(fù)或丟失
• 虛電路上的每個節(jié)點，只差錯監(jiān)測，不進行路由選擇
• 虛電路支持特定的兩個端系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸，可對兩個數(shù)據(jù)端點的流量進行控制；兩個端系統(tǒng)可有多條虛電路服務(wù)不同的進程
• 致命弱點：網(wǎng)絡(luò)中某個結(jié)點或某條鏈路出現(xiàn)故障而失效時，所有經(jīng)過該結(jié)點或該鏈路的虛電路將遭到破壞

4.3.3 數(shù)據(jù)報 & 虛電路

4.4 數(shù)據(jù)交換方式的選擇

二、傳輸介質(zhì) & 設(shè)備

1. 傳輸介質(zhì)/傳輸媒體/傳輸媒介

• 傳輸介質(zhì)是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的物理通路，在物理層的下面(不是物理層)，稱為第0層。

1.1 導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒介(銅線/光纖)傳播

• 雙絞線：古老、最常用的傳輸介質(zhì)，由兩根采用一定規(guī)則并排絞合(減少對相鄰導(dǎo)線的電磁干擾)的、相互絕緣的銅導(dǎo)線組成(傳輸電脈沖)
  1. 分類：屏蔽雙絞線STP、非屏蔽雙絞線UTP
  2. 特點：價格便宜，應(yīng)用于局域網(wǎng)和傳統(tǒng)電話網(wǎng)
  3. 模擬傳輸要用放大器方法衰減信號；數(shù)字傳輸用中繼器將失真信號整形
     
• 同軸電纜：由導(dǎo)體銅制芯線、絕緣層、網(wǎng)狀編織屏蔽層、塑料外層構(gòu)成(傳輸電脈沖)
  1. 分類：50Ω同軸電纜(傳送基帶數(shù)字信號，稱基帶同軸電纜，應(yīng)用于局域網(wǎng))、75Ω同軸電纜(傳送寬度信號，稱寬帶同軸電纜，應(yīng)用于有線電視系統(tǒng))
  2. 特點：同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，價格更貴；廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)
     
• 光纖：利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進行通信，有光脈沖為1無0；光纖主要有實現(xiàn)的纖芯和包層構(gòu)成
  1. 特點：傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸經(jīng)濟；抗雷電和電磁干擾性能好；無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)；體積小，重量輕
  2. 發(fā)送端：用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，在電脈沖作用下產(chǎn)生光脈沖
  3. 接收端：用光電二極管做成光檢測器，檢測到光脈沖時還原出電脈沖
  4. 分類：多模光纖、單模光纖
     
     

1.2 非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：自由空間，介質(zhì)可以是空氣、真空、海水等

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-440170.html

2. 物理層設(shè)備

2.1 中繼器

• 誕生原因：由于線路上傳輸?shù)男盘柟β手饾u衰減，到一定程度將造成信號失真，導(dǎo)致接受錯誤
• 功能：對信號進行再生和還原，即再生數(shù)字信號(放大衰減的信號，保持與原數(shù)據(jù)相同，以增加信號傳輸?shù)木嚯x，延長網(wǎng)絡(luò)的長度)
• 中繼器的兩端
  1. 兩端的網(wǎng)絡(luò)部分是網(wǎng)段，不識字網(wǎng)，適用于完全相同的兩類網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，且兩個網(wǎng)段速率要相同
  2. 只將任何電纜段上的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一端電纜上，僅作用于信號的電氣部分，不管數(shù)據(jù)中是否有錯誤或不適于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)
  3. 兩端可連相同媒體，也可連不通過媒體
  4. 兩端的網(wǎng)段一定要是同一個協(xié)議(中繼器不會存儲轉(zhuǎn)發(fā))
• 5-4-3規(guī)則（5個網(wǎng)段，4個物理層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，3個段可掛接工作站）：網(wǎng)絡(luò)標準中規(guī)定了信號的延遲范圍，因而中繼器只能在規(guī)定的范圍內(nèi)進行，否則會網(wǎng)絡(luò)故障

2.2 集線器（多口中繼器）

• 功能：對信號進行再生放大轉(zhuǎn)發(fā)，對衰減的進行放大后轉(zhuǎn)發(fā)到其他(出輸入端口外)處于工作狀態(tài)的端口上，以增加信號傳輸距離，延長網(wǎng)絡(luò)長度
• 集線器不具備信號的定向傳送能力，是一個共享式設(shè)備（星型拓撲結(jié)構(gòu)）
• 集線器不能分割沖突域，連在集線器上的工作主機平分帶寬；當處于工作狀態(tài)的設(shè)備過多時，效率低，通信速度慢

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