本篇介绍网络的物理层.

版权声明,本文基于王道考研书籍整理,并非原创.

本篇的重要内容:

(一) 通信基础

  • 信道,信号,带宽,码元,波特,速率,信源与信宿等基本概念
  • 奈奎斯特定理与香农定理:编码与调制
  • 电路交换,报文交换与分组交换:数据报与虚电路

(二) 传输介质

  • 双绞线,同轴电缆,光纤与无线传输介质；物理层接口的特性

(三) 物理层设备

  • 中继器,集线器

2.1通信基础

2.1.1基本概念

1.数据,信号与码元

数据是指传送信息的实体.信号则是数据的电气的或电磁的表现,是数据在传输过程中的存在形式.数据和信号都可以用”模拟的”或”数字的”来修饰: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).

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,这个吋长内的信号称为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.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.

2.信源,信道与信宿

信源是产生和发送数据的源头.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.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恢复成原始的信息,再发送给信宿.

信道与电路并不等同,信道是信号的传输媒介.一个信道可以看成是一条线路的逻辑部件, 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.噪声源是信道上的噪声(即对信号的干扰)以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示.

信道按传输信号形式的不同可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道.

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分.基带信号是将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,然后送到数字信道上去传输(称为基带传输);宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,然后传送到模拟信道上去传输(称为宽带传输/频带传输).

从通信双方信息的交互方式看,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.例如.无线电广播,电视广播就属于这种类型.
  2. 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,需要两条信道.
  3. 全双工通信.通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道.

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.又可称为码元速率,波形速率等,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.这里的码元可以是多进制的,也可以是二进制的,但码元速率与进制数无关.
  2. 信息传输速率.又可称为信息速率,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).

若一个码元携带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$M\times n\quad bit/s$

带宽原是指信号具有的频带宽度,单位是赫兹(Hz).在实际网络中,由于数据率是信道最 重要的指标之一,而带宽与数据率存在数值上的互换关系,常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力.因此,带宽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”最髙数据率”.显然,此时带宽的单位不再是Hz ,而是bit/s,或b/s.

2.1.2奈奎斯特定理与香农定理

1.奎奈斯特定理

奈奎斯特(Nyquist)定理又称为奈氏准则,它指出在理想低通(没有噪声,带宽有限)的信道中,极限码元传输率为2W Baud.其中,W是理想低通信道的带宽,单位为Hz.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位二进制位,因此数据传输率是码元传输率的4倍),则极限数据率为
$$
理想低通信道下的极限数据传输率=2\times{W}\times{log_2V}(b/s)
$$

2.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
$$
信道的极限数据传输速率=W\times{log_2({1+S/N})}(b/s)
$$
式中,W 为信道的带宽,S 为信道所传输信号的平均功率,N 为信道内部的髙斯噪声功率.S/N为信噪比,即信号的平均功率和噪声的平均功率之比,信噪比=10log10(S/N)(单位:dB), 如,当 S/N=10时,信噪比为10dB,而当S/N=1000时,信噪比为30dB.

2.1.3编码与调制

数据无论是数字的还是模拟的,为了传输的目的都必须转变成信号,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.

数字数据可以通过数字发送器转换成数字信号传输,也可以通过调制器转换成模拟信号传输:同样,模拟数据可以
通过PCM编码器转换成数字信号传输,也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输.这样就形成了下列四种编码方式.

1.数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中,即在基本不改变数字数据信号频率的情况下,直接传输数字信号.对于这种编码方式,具体用什么样的数字信号表示0 以及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码.编码的规则可以有多种,原则上只要能有效地把1和0 区分开即可,常用的编码方法有以下几种:

(1) 非归零码
非归零码(NRZ)是用两个电压来代表两个二进制数字,如用低电平表示0 ,用高电平表示1；或者相反.这种编码虽然容易实现,但没有检错功能,而且也无法判断一个码元的开始和结束,以至于收发双方难以保持同步.
(2) 曼彻斯特编码
曼彻斯特编码(Manchester Encoding) 将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为髙 电平后一个间隔为低电平表示码元1 :码元0 则正好相反.也可以采用相反的规定.该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变,位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步),又作数据信号,但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍.以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码.
(3) 差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码常用于局域网传输,其规则是:若码元为1,则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同,若为0 ,则相反.该编码的特点是,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.

(4)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.

参考链接

2.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,而在接收端将模拟倍号还原为数字
信号,分别对应于调制解调器的调制和解调过程.基本的调制方法有:

  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. 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.
  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.
  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. 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 为
    $$
    R=B\times{log_2{(m\times{n})}}\quad(b/s)
    $$
    如图所示是二进制幅移键控,频移键控和相移键控的例子,2ASK中用载波有幅度和无幅度分别表示数字数据的” 1” 和”0”:2FSK中用两种不同的频率分别表示数字数据” 1” 和”0”;2PSK中用相位0和相位分别表示数字数据的”1” 和 “0”,是一种绝对调相方式.

3.模拟数据编码为数字信号

该编码方法最典型的例子就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,即抽样,量化和编码.

先來介绍采样定理:在通信领域带宽是指信号最髙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f,那么采样频率必须大于或等于最大频率*f采样*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.

4.模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性,可能需要较髙的频率.这种调制方式还可以使用频分(FDM)复用技术,充分利用带宽资源,在电话机和本地局交换机所传输的信号是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,报文交换和分组交换

1.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.该线路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.

电路交换技术的优点是:

  1. 通信时延小.由于通信线路为通信双方用户专用,数据直达,所以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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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,
  5. 实时性强,通信双方之间的物理通路一旦建立,双方可以随时通信.
  6. 控制简单,电路交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单.
    电路交换技术的缺点是:
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.

要注意,当电路建立以后,除了源结点和目的结点,电路上的任何结点都采取”直通式”接收数据和发送数据,即不会存在存储转发所耗费的时间.

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.
报文交换技术的优点是:

  1. 无需建立连接: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.
  2. 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,
  3. 提髙线路可靠性:如果某条传输路径发生故障,可重新选择另一条路径传输数据,所以提髙了传输的可靠性.
  4. 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.
  5. 提供多目标服务:一个报文可以同时发送往多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的.
    报文交换技术的缺点是:
  6. 由于数据进入交换结点后要经历存储,转发这一过程,从而引起转发时延(包括接收报文,检验正确性,排队,发送时间等).
  7. 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.

3.分组交换

同报文交换一样,分组交换也采用了存储转发方式,但解决了报文交换中大报文传输的问题.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,再加上一 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,暂时保存下来并排队等待传输,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.

分组交换的优点是:

  1. 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.

  2. 线路利用率髙.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,因而大大提髙了通信线路的利用率.

  3. 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.

  4. 加速传输:分组是逐个传输,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几率及时间也必然少得多.

  5. 减少了出错几率和重发数据量:因为分组较短,其出错几率必然减少,所以每次重发的数据量也就大大减小,这样不仅提高了可靠性,也减少了传输时延.
    分组交换的缺点是:

  6. 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.

  7. 需要传输额外的信息量.每个小数据块都要加上源,目的地址和分组编号等信息,从而构成分组,使传送的信息量大约增大5%〜 10%, —定程度上降低了通信效率,增加了处理的时间,使控制复杂,时延増加.

  8. 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,要对分组按编号进行排序等工作,增加了麻烦.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数据报和虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务,还可以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

当作为通信子网用户的端系统要发送一个报文吋,在端系统中实现的卨层协议先把报文拆成若干个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).中间结点存储分组一段很短的时间,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.

  1. 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 将收到的分组缓存.
  2. 然后查找自己的转发表.由于不同时刻的网络状态不一样,因此转发表的内容可能不完全相同,因此有的分组转发给交换结点C ,有的分组转发给交换结点D.
  3. 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,分组并不占有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也可以同时向其他主机发送分组.

通过上面的例子,我们可以总结出数据报服务具有如下特点:

  1. 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.
  2. 网络尽最大努力交付,传输不保证可靠性,所以可能丢失: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.
  3. 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.
  4. 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.当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.
  5. 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.
  6. 存储转发的延时一般较小,提高了网络的吞吐量.
  7. 收发双方不独占某一链路,资源利用率较髙.

2.虚电路

虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来,充分发挥两种方法的优点,以达到最佳的数据交换效果.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,虚电路所对应的物理路径也就固定了.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阶段.

在虚电路方式中,端系统每次建立虚电路时,选择一个没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,检验和等控制信息,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,它的每一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.

  1. 为了进行数据传输,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,如果主机B同意连接,就发送”呼叫应答”分组予以确认.
  2. 在虚电路建立之后,主机A就可以向主机B发送数据分组.当然,主机B也可以在该虚电路上向主机A发送数据.
  3. 传送结束后主机A通过发送”释放请求”分组以拆除虚电路,整个连接就逐段断开了.

通过上面的例子,可以总结出虚电路服务具有如下特点：

  1. 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销,对交互式的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,则效率较髙.
  2. 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段,连接建立后,传输路径就确定了.
  3. 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燉进行控制,当接收方来不及接收数据时,可以通知发送方暂缓发送.
  4. 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故障而彻底失效时,则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏.
  5. 分组首部并不包含目的地址,而是包含虚电路标识符,相对数据报方式开销小.

虚电路之所以是”虚”的,是因为这条电路不是专用的,每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过,它也可能同时与多个结点之间具有虚电路.每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输,两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务,这些虚电路的实际路由可能相同也可能不相同.

2.2传输介质

2.2.1双绞线,同轴电缆,光纤和无线传输介质

2.2.2物理层接口的特性

  1. 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.
  2. 电气特性 规定传输二进制位时,线路上信号的电压髙低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等.
  3. 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.
  4. 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

中继器又称为转发器,主要功能是将信号整形并放大再转发出去,以消除信号由于经过一长段电缆,因噪声或其他原因而造成的失真和袞减,使信号的波形和强度达到所需要的要求,来扩大网络传输的距离,其原理是信号再生(而不是简单地将衰减的信号放大),中继器有两个端口,将一个端口输入的数据从另一个端口发送出去,它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,

从理论上讲,中继器的使用数目是无限的,网络因而也可以无限延长,但事实上这是不可能的,因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定,中继器只能在此规定范围内进行有效的工作,否则会引起网络故障,例如,在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中,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 个段可以挂接计算机,其余两个段只能用做扩展通信范围的链路段,不能挂接计算机,这就是所谓的”5-4-3规则”.

注意：放大器和中继器都是起放大作用,只不过放大器放大的是模拟信号,原理是将衰减的信号放大,中继器放大的是数字信号,原理是将衰减的信号整形再生,如果某个网络设备具有存储转发的功能,那么可以认为该设备可以连接两个不同的协议,如果该网络设备没有存储转发功能,则认为该设备不能连接两个不同的协议:中继器是没有存储转发功能的,因此中继器不能连接两个速率不同的网段,中继器两端的网段一定要是同一个协议.

2.3.2集线器

集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器,也工作在物理层,在Hub工作时,当一个端 口接收到数据信号后,由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有了衰减,所以Hub便将该信号 进行整形放大,使之再生(恢复)到发送时的状态,紧接着转发到其他所有(除输入端口以外)处于工作状态的端口上,如果同时有两个或多个端口输入,则输出时会发生冲突,致使这些数据都成为无效的,从Hub的工作方式可以看出,它在网络中只起到信号放大和转发作用,其目的是 扩大网络的传输范围,而不具备信号的定向传送能力,即信号传输的方向是固定,是一个标准的共享式设备,

Hub主要用于使用双绞线组建共享网络,是解决从服务器连接到桌面最经济的方案,在交换 式网络中,Hub直接与交换机相连,将交换机端口的数据送到桌面,使用Hub组网灵活,它把所 有结点的通信集中在以其为中心的结点上,对结点相连的工作站进行集中管理,不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行,并且用户的加入和退出也很自由,

由Hub组成的网络是共享式网络,在逻辑上仍然是一个总线网,Hub每个端口连接的网络部 分是同一个网络的不同网段,同时Hub也只能够在半双工下工作,网络的吞吐率因而受到限制,

注意：多台计算机同时通信必然会发生,所以集线器不能分割冲突域,所有集线器端口都属于同一个冲突域,集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息,如果一台集线器连接的机器数目较多,并i多台机器经常需要同时通信,将导致信息的碰撞,使得集线器的工作效率很差,比如一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机,当这8台计算机同时工作时,每台计算机真正所拥有的带宽为10/8 Mb/s=1.25Mb/s.