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计算机网络 第二章 物理层

684人浏览 / 0人评论 / | 作者:因情语写  | 分类: 计算机网络  | 标签: 计算机网络  | 

作者:因情语写

链接:https://www.proprogrammar.com/article/760

声明:请尊重原作者的劳动,如需转载请注明出处


(一) 通信基础

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

(二) 传输介质

1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
2. 物理层接口的特性

(三) 物理层设备

1. 中继器
2. 集线器

2.1 通信基础

2.1.1 信道、 信号、 带宽、 码元、 波特、 速率、 信源与信宿等基本概念

(1)信道:向某一个方向传送信息的媒体。
(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和最低频率之差,或者说是频带的宽度,Hz;
另一定义是信道中数据的传送速率, bps。
(4)码元:在使用时间域(简称时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。
(5)波特:单位时间内传输的码元数。
(6)比特率:单位时间内传输的比特数。
(7)信源
(8)信宿

计算机网络的性能计算

1. 速率

比特(bit)是计算机中数据量的单位,也是信息论中使用的信息量的单位。
一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。
速率的单位是 b/s(bps), kb/s, Mb/s, Gb/s 等
“带宽” (bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度,单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。
现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语,单位是“比特每秒”,或 b/s (bit/s), bps。

更常用的带宽单位是
千比每秒,即 kb/s (103 b/s)
兆比每秒,即 Mb/s(106 b/s)
吉比每秒,即 Gb/s(109 b/s)
太比每秒,即 Tb/s(1012 b/s)
请注意:在计算机界, K = 210 = 1024
M = 220, G = 230, T = 240。

3. 时延(delay 或 latency)

传输时延(发送时延 ) 发送数据时,数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 200 000Km/s
信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。
排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和:

2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值 B 与信道带宽 H 的关系:
最大数据传输率 B=2×H (Baud)波特
奈奎斯特公式--无噪信道传输能力公式:

H 为信道的带宽,即信道传输上、下限频率的差值,单位为 Hz;

N 为一个码元所取的离散值个数。
香农公式--带噪信道容量公式:

S 为信号功率, N 为噪声功率, S/N 为信噪比,
通常把信噪比表示成 10lg(S/N)分贝(dB)
S/N=100
10lg(100) =20dB

2.1.3 编码与调制

调制:使用载波进行调制
最基本的二元制调制方法有以下几种:
调幅(AM):振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM): 频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) :初始相位随基带数字信号而变化。

编码—基带调制
用不同电压极性或电平值的信号来代表数字数据 0 和 1 的过程,就称为数字基带信号的编码;其反过程称为解码。
归零 曼彻斯特

非归零编码

用负电压代表逻辑 0,用正电压代表逻辑 1。当然也可以有其他的表示方法。

1 正 0 负 --信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式
RZ 码可鉴别是否丢了信号
具有同步功能-带宽加倍

曼彻斯特编码(Manchester)

由低电平跳变到高电平时,就表示数字信号 1;每位由高电平跳变到低电平时,就表示数字信号 0。

曼彻斯特编码中的中间电平跳跃,既代表数字信号的取值,也作为自带的时钟信号。
无需专门传递同步信号的线路,因此成本低。另外,降低了直流分量。

差分曼彻斯特编码

每个时钟周期的中间都有一次电平跳变,这个跳变做同步之用。
每个时钟周期的起始处:跳变则说明该比特是 0,不跳变则说明该比特是 1

优点:收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步,无需专门传递同步信号的线路,因此成本低。
缺点:实现技术复杂。

2.1.4 电路交换、 报文交换与分组交换

按数据传送技术划分,交换网络又可分为

电路交换网
报文交换网
分组交换网

1 电路交换

电路建立:在传输任何数据之前,要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。
数据传输:电路建立以后,数据就可以从一端发送到另一端在整个数据传输过程中,所建立的电路必须始终保持连接状态。
电路拆除:数据传输结束后,由某一方发出拆除请求,然后逐节拆除到对方节点。

电路交换的特点

电路交换必定是面向连接的。

电路交换的三个阶段:

建立连接
通信
释放连接
A 和 B 通话经过四个交换机
通话在 A 到 B 的连接上进行

2 报文交换

报文交换方式的数据传输单位是报文
报文是站点一次性要发送的数据块,长度不限且可变。
报文必须附加目的地址,网络节点根据报文上的目的地址信息,把报文发送到下一个节点,逐节点地转送。
报文采用存储转发机制,每个节点收到整个报文并检查无误后,就暂存这个报文,然后利用路由信息找出下一个节点的地址,再把整个报文传送给下一个节点。
端与端之间无需先通过呼叫建立连接。

3.分组交换

分组交换是报文交换的一种改进
报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限
分组可以存储到内存中,提高了交换速度。
适用于交互式通信,如终端与主机通信。
分组交换的主要特点
在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。

每一个数据段前面添加上首部构成分组。

请注意:现在左边是“前面”
分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边)。

分组首部的重要性
每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机。
用这样的存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

收到的数据
最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

假定分组在传输过程中没有出现差错,在转发时也没有被丢弃。
因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成,而主机处在因特网的边缘部分。
主机:为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。
路由器:用来转发分组的,即分组交换。

分组交换的优点

1、高效 动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用。
2、灵活 以分组为传送单位和查找路由。
3、迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。
4、可靠 保证可靠性的网络协议;
5、分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题

1、分组在各结点存储转发时需要排队,这就会造成一定的时延。
2、分组必须携带的首部(里面有必不可少的控制信息)也造成了一定的开销。

2.1.5 数据报与虚电路

虚电路:面向连接的通信方式

建立虚电路(Virtual Circuit),以保证双方通信所需的一切网络资源。
如果再使用可靠传输的网络协议,就可使所发送的分组无差错按序到达终点。
虚电路服务

H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送
虚电路表示这只是一条逻辑上的连接,分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送,而并不是真正建立了一条物理连接。
请注意,电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。
因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似,但并不完全一样。

数据报服务

1、网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
2、网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组(数据报)独立发送,与其前后的分组无关(不进行编号)。
3、网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点),当然也不保证分组传送的时限。
数据报服务

2.2 传输介质

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

双绞线

屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

同轴电缆

50Ω 同轴电缆
75Ω 同轴电缆
光缆

多模光纤与单模光纤-大容量、长距离和抗干扰

无线传输介质

短波通信主要是靠电离层的反射,但通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播。
地面微波接力通信

2.2.2 物理层接口的特性

描述为确定与传输媒体的接口的一些特性:
机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
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。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

1、中继器是把一根线缆中的电或光信号传递给另一根线缆,不进行路由选择,也不进行分组过滤的物理层连网设备。中继器是物理层中间系统。
2、中继器通常用于以太网扩充。延长以太网通信介质的长度,扩大以太网覆盖范围。
3、因为中继器不仅传送有用信号,同时也传送噪音和冲突信号,因而互相串联的中继器个数有一定限制.

2.3.2 集线器

1、共享式以太网集线器(hub),它不解释数据,但它从一个网段接收信号,将其再生后中继到其他的网段。
2、在本质上集线器就是一个多端口中继器,星型连网拓扑
3、集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网,各个工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,共享逻辑上的总线及其带宽。
4、集线器连接的设备处于同一个广播域和冲突域。
用多个集线器可连成更大的局域网

某大学有三个系,各自有一个局域网

用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中

优点

1、使原来属于不同碰撞/冲突域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
2、扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点

1、碰撞/冲突域增大了,但总的吞吐量并未提高。
2、 如果不同的碰撞/冲突域使用不同的数据率, 那么就不能用集线器将它们互连起来。

【例】带宽 6 MHz,量化等级为 4,无噪声,最大数据传输率多大?

【例】带宽 3 KHz,信噪比 20dB,二进制,最大数据传输率

两个理论上限,不可逾越。
取两者最小值: Rmax=6Kbps

09-34、在无噪声情况下,若某通信链路的带宽为 3kHz,采用 4 个相位,每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术,则该通信链路的最大数据传输速率是
A. 12kbps B. 24kbps C. 48kbps D. 96kbps
12-34.在物理层接口特性中,用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是
A.机械特性 B.功能特性 C.过程特性 D.电气特性
13-34.若下图为 10BaseT 网卡接收到的信号波形,则该网卡收到的比特串是

A. 0011 0110 B. 1010 1101 C. 0101 0010 D. 1100 0101
[例]设需在两台计算机间经两个中间结点传送 100M 字节的文件,假定:
(1)计算机与中间结点间的通信线路以及中间结点间通信线路的通信速率皆为 8kbps;
(2)数据传输的差错可以忽略不计;
(3)中间结点存储转发时间可忽略不计;
(4)每一段线路的传播时延均为 10ms
试计算采用甲、乙两种方案传送此文件所需时间。
其中:
方案甲:将整个文件逐级存储转发。
方案乙:将文件分为 1000 字节长的帧在进行逐级存储转发,假定帧头和帧尾的开销为 10 字节。
已知文件 100M 带宽 8kbps 传播时延 10ms

题型分析

1 奈奎斯特和香农定理
2 分组和报文的时间计算
3 服务类型的概念
4 物理特性
5 设备


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