计算机网络学习笔记(二) 基础_物理层

来源于 学堂在线 华南理工大学_计算机网络  袁华老师的课程

https://next.xuetangx.com/course/SCUT08091000715/1510610

以下为所做的笔记

物理层

概述

Physical  物理层  提供透明的比特流传输   

封装好的数据以 0,1 比特流形式传递 从一个地方搬到另一个地方

物理层上的传输  从不关系比特流里面携带的信息  只关心比特流的正确搬运

 

机械特性  指明接口所有接线器的形状,尺寸,引脚数和排列等 如RJ45

 

电气特性  指明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

 

规程特性  指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序规程的概念类似协议

 

物理层上数据的传输:信号

 

单位赫兹

物理带宽  传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围  一种物理特性 通常取决于介质材料构成 , 厚度 , 长度

数字带宽  单位时间内流经的信息总量

 

数字带宽和物理带宽   

奈奎斯特定理和香农定理描述了这两者的关系

 

奈奎斯特定理

理想信道的最大传输速率:  

在无噪声信道中,当物理带宽为B Hz 信号等级为V级时  那么该信道能提供的最大传输速率(数字带宽)可用这个公式表达      

 最大传输速率 =  2Blog2V(bps)

V为信号的离散等级

 

任意一个信号通过一个物理带宽为B的低通滤波器,只要进行每秒2B次的采样,就可完全重构出被滤掉的信号(任何高于2B次的采样都毫无意义)

 

根据公式  

想要数字带宽↑   需要增加物理带宽(物理特性,不能随意增加)  或者离散等级

 

香农定理:

在有噪声信道中，如果物理带宽的为B Hz,信造比为S/N,

那么最大的传输速率（数字带宽）:

Blog2(1+S/N)(bps)       很多情况下噪声用分贝(dB)表示

分贝值=10log10(S/N)(db)

 

香浓定理表明:在信道一定的时候,物理带宽确定了,想要提高最大传输速率,只有增加信噪比

 

总结:  信号在传输的过程中,会发生衰减和变形  

       数字带宽是有上限的,且跟物理带宽有关系  

奈奎斯特定理和香农定理描述了这两者的关系

有导向的传输介质

物理层功能 搬运比特     承载比特的是传输介质

分类(传输介质是否有形): 引导性(有线) 铜线 光纤 和 非引导性(无线)  无线电  卫星

 分类(同轴电缆): 横截切一刀  

 

 

分类(同轴电缆): 基带同轴电缆(50Ω 数字传输，屏蔽层为铜)和宽带同轴电缆(75Ω 模拟传输,屏蔽层为铝)

 

双绞线:  由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度，逆时针方向绞合而成。

用途:  近端串扰  Crosstalk

绞距(扭距)  绞距越紧(小),越均匀

则抵消效果越好  传输性能越好   

 

分类(双绞线):  非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)

 

非屏蔽双绞线(UTP Unshielded Twisted Pair)  5类双绞线

提供10M、100M的数字带宽 使用了其中的两对线 分别用于收、发

100M以太网中 用到了全部的4对线   最大传输距离100米  广泛用于局域网中

UTP优点  成本低  易于安装  尺寸小  缺点:易受干扰   传输距离性能受到绞距影响

 

屏蔽双绞线(STP Shielded Twisted Pair)

 

STP优点  抗EMI/RFI   缺点:成本高(加入两层屏蔽层)  安装不易(加入两层屏蔽层后尺寸变大)

网屏式双绞线(ScTP Screened Twisted Pair):

成本和抗干扰之间做的折中  (UTP和STP的折中)

使用UTP需注意  在局域网中 使用最多的是UTP

 

直通线和交叉线

直通线  连接两个不同设备的时候(比如连接交换机和PC)

线两头的线序一致

线两头的线序不一致时  则用作交叉线(比如连接两台路由器)

现在直通线和交叉线不再重要  设备可以自适应

 

引导性传输介质还有 电力线(可以传输电和数据)  

光纤(光导纤维):由极细的玻璃纤维构成  把光封闭在其中并沿轴向进行传播

 

 

光纤(工作原理)——光的全反射  光全部被锁闭在光密物质中 全反射前行

 

光纤的优点:重量轻 由非常细的玻璃纤维构成 细如发丝 以微米量度  损耗低 通过全反射来传输信号  没有折射   不受电子辐射干扰  传输带宽和通信容量大    缺点:  昂贵  易断裂(细)    通常以光缆形式存在

 

分类(光纤):

单模(单一模式传输,激光产生的单束光)和多模(以多个模式同时传输,led产生多束光)

单一模式传输,激光产生的单束光 (纤芯细 高带宽 长距离 运行波长为850nm或1300nm)

入射角>临界角 就可以发生全反射  

多个角度入射多根光线来 往前推进  多个角度即多个模式

# 可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输, 这种光纤称为多模光纤

 

光源  光传输系统组成:  光源 → 传输介质 → 探测器

光源  LED(便宜 光传输距离短)   激光(昂贵 光传输距离长)

单模(以激光为光源)和多模(以LED为光源)

 

光纤常用规格   单模 8.3(内径 玻璃芯)/125(外径 玻璃覆盖层)微米

 

多模 62.5/125微米

光纤断了怎么办?  (地震 老鼠啃咬导致光纤断裂)     进行光纤连接

光纤连接器 (光损失10%-20%)   机械拼接(特殊套管夹紧  光损失10%)

光纤熔合 (几乎无损失  需要用到光纤熔接机和光纤熔接技术  热熔)

光纤相对铜线的特性

带宽高,距离远,损耗低,重量轻  无电磁干扰和射频干扰(EMI和RFI)  防窃听

端口设备价格高    

选择传输介质  要考虑传输速率  成本要求  周围环境  介质间的互操作性、相容性  最优的性价比

光纤和UTP具有各自的特点  干线上大量使用光纤(垂直电缆)  用户桌面的线缆大量使用UTP (水平电缆)  [PC和交换机]   

选择传输介质时 综合考虑多种因素  满足使用需求和环境要求  提高性价比

光纤熔接

光纤熔接流程   1. 备纤  剥皮、清洁、切割   2.熔接  预热、V型槽  3.检查  是否合格(平整、无气泡)

高精度光纤切割机  

 

复用技术

复用技术是让多用户共享同一根信道（干线）

需要解决的问题: 干线起点如何共用，干线终点如何分离

1. 频分多路复用(FDM)  

在干线起点,信道的频谱被分成若干段（子带）,每个用户占据一段来传输自己的信号

到了干线的终点,每个子带的信号被单独分离出来给各个用户

相邻用户使用的频段（子带）之间,通常留有一定的带宽以免混淆，这个频段被称作保护带

 

升级版:  正交频分多路复用(OFDM  Orthogonal FDM)  一种更好地利用带宽的FDM  

OFDM没有了保护带，且子带之间相互重叠，同样的干线可以承载更多的用户

被广泛用于802.11、有线电视网络等

 

例题:  10个用户使用FDM共享8Mbps链路,当用户传输一个3000字节的消息时,最低延迟是多少?

每个用户可以得到宽带 8M/10 = 800kbps

传输3000字节消息所需时间为 (3000*8)/800kbps = 30ms

 

波分多路复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 

本质跟FDM一样 在光纤上复用信号

按照不同波长分成若干份  承载不同用户的光信号 到了终点 分离器分离出不同波长的光信号

当相邻波长间隔非常接近  子信道的数目非常大时 WDM 变成DWDM(Dense 密集波分多路复用)   非常热门的技术 让光纤承载更多 更高的通信  

2. 时分多路复用(TDM)

在时间上共享信道:  将时间划分为非常短的时间片，每个用户周期性地在自己的时间片内使用整个带宽  用于电话系统和蜂窝系统

 

TDM要求时间上必须同步,为了适应时钟的微小变化，可能要求增加保护时间间隔

如果各用户需要的带宽不均衡,有的需要多,有的需要很少,而TDM用户时间片的使用却是一样的,将造成信道的浪费,不高效

 

为了提高信道的利用率，有另一种TDM,叫做统计时分多路复用(Statistical time division multiplexing STDM)技术

动态分配信道,不使用信道的用户不分配,分给有需要的用户使用,利用率可提高2~4倍(按需分配)

实现技术较复杂,通常只在高速远程通信中使用,如ATM  不适用于用户平均使用信道的情况

 

还有一种完全不同与FDM和TDM的复用技术

3.码分多路复用(CDMA)

Code Division Multiple Access  码分多路复用技术

扩展频谱技术   允许每个站利用整个频段发送信号,而且没有任何时间限制

TDM —— 许多人按照顺序交谈  

FDM —— 不同的人按照不同的语调同时进行交谈  

CDMA —— 每对交谈者使用不同语言

CDMA 能力: 能够提取出需要的信号,同时拒绝所有其它的信号,并把不需要的这些信号当作噪声   

CDMA中每个比特时间被细分成m个更短的时间间隔 这更短的时间间隔被称为码片  每个比特被分为64或128

m=4 的CDMA系统  →  每个工作站/用户分配一个唯一的码片序列  →  所有的码片序列两两正交  →  归一化内积为零  

当一个工作站要发送“1”时,就发送它的时间序列

当一个工作站要发送“0”时,就发送它的时间序列的反码

为了知道某个站发送了什么  接受方必须知道发送方的码片序列  

只要计算复用信号和发方码片序列的归一化内积  就知道某个站发送了什么

    码片序列是正交的 能够同时传输  1985年高通开发 广泛应用于3G网通信

 

原理需要一定的线代知识,想要深入了解可以学习通信原理

数字调制技术

调制:  使用信号来传输比特流。 传输信号方式有:基带传输、通带传输两种  

基带传输

基带传输(Baseband Transmission):  

信号的传输占据了传输介质从0到最大值之间的全部频率。 比如以太网  直接将数字比特转化为信号。

[Line codes 线路编码: 发送symbols(样本、符号) 一个样本可传送1个或多个比特]

线路编码方法

不归零编码(NRZ): 高电压->表示1 ,  低电压->表示0

如果出现多个连续的“0”或连续的“1”  随着时间漂移的累计 接收方无法分辨出几个“1”或“0”

不归零逆转(NRZI):NRZ的改进  在比特时间中间做电压的跳变,若跳变表示“1”,不跳变,表示“0”.  连续1问题解决了 连续0问题仍然存在  在USB中采用

曼彻斯特编码: 在比特时间中间,电压从高跳都低,表示“1”,反之从低跳到高,表示“0”   解决了连续1和连续0的问题   在10Base以太网中采用  在比特时间中跳变    编码效率只有50%

双极编码(交替标记逆转AMI): 两级电压交替出现时表示“1”,不出现表示“0”,实现了信号的平衡

4B/5B:4比特数据被映射为1个5比特模式(抛开连续0的组合,解决连续零的问题)   相比曼彻斯特编码 它的编码效率提高到80%

通带传输

通带传输(Passband Transmission):

在一个信道上 发送信息所使用的频率范围并不是从零开始的  通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特。

特点:  信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带。

调制方法

 

基本调制方法:  调幅  调频  调相  

 

采用上述的调制方法   一个符号只有两种形式或两个级别   一个符号只能传输一个比特  

为了获得更高的数据传输率即数字带宽  将调制模式综合起来使用以获得更多的信号模式  使每个符号可以传输更多的比特  即增加C=Bxlog2n里面的n  从而增加整个传输速率即 数字带宽

当物理带宽一定时,采样率也一定了,因此只能提高n(信号的组合模式)来增加数字带宽

用信号星座 呈现某种调制方式的信号

QAM-16 ——正交振幅调制  16——调制方式中有16种不同振幅和相位的信号组合模式   一个符号可以传输4个比特    

星号星座的更多解释  正交相移键控QPSK,使用了4个相位角度  

每次采样(码元、样本)  可表达的级别有4个  每次码元可表示2比特

QAM-64(正交振幅调制 Quadrature Amplitude Modulation-64)允许64个不同的信号组合 即64个信号级别    每个码元可传输6  bits

码元:  承载信息量的基本信号单位

数字通信中常用时间间隔相同的符号表示一个二进制数字  →  (二进制)码元

使用时间域的波形表示数字信号时,不同离散值的基本波形  →  码元。

其中,一秒钟能发送的码元个数  →  波特率 或叫 码率(每秒钟信号变化的次数) 也可以用 符号率、采样率 来称呼 波特率

比特率(别称: 位传输率、数据传输速率、数字带宽)

数字带宽 比特率 波特率

数字带宽 跟比特率(C)与波特率(B)的关系: 

C=Bxlog2n , 其中n(信号级别): 信号呈现的个数,为2的整数倍(有例外)

从上面公式 我们可以看到  

   为了追求高的数字带宽 总是要想办法提高信号的级别 即 信号星座图上的星点  特别容易导致出错率的上升 因为相邻星点特别容易混淆

   为了降低高速调制错误,在每个样本中采用一些额外的位 用作纠错  剩下的位才用来传输数据   格子架编码调制TCM(Trellis Coded Modulation)

   比如在V.32调制标准  波特率2400  采用QAM-32的调制方式  

每个码元传输5个比特  其中1个比特用来做奇偶数校验  4个比特用于传输数据    数据传输率 2400 * 4 = 9600bpks  = 9.6kbps

公共交通电话网络

   公共交换电话网络(PSTN Public Switched Telephone Network):  任务  →  传递人类的语音  计算机网络的目标 —— 传输数据  

   PSTN  由全连通网  →  中心交换网  →  层次交换网

 

人工交换  →  全自动交换

现代PSTN构成部分:

 

呼叫方的语音  →本地回路→  端局  →干线→  上级交换局  →  对方端局  →  被叫方

通话双方之间搭建一根实际的点到点的物理通路

PSTN的主要构成

 本地回路(Local loops) 模拟线路 —— 连接端局和千家万户或业务部门

 干线(Trunks)   数字光纤 —— 连接交换局

 交换局(Switching offices) (包含端局) 语音接驳干线的场所

 

 本地回路 —传输— 模拟信号  如何搭载计算机产生的数字信号?

 通过接上调制解调器  →  端局  

调制解调器(猫 Modem):  用于将计算机产生的比特流(数字信号)转变为载波输出(模拟信号)  →  调制过程。反之,解调过程:   把接收的模拟信号转换成计算机能处理的数字信号

如: 56k的调制解调器   采用V.90标准

4000Hz( 300 ~ 3400 Hz)  采样率 = 2 * 4000 = 8000 sample/sec

每个码元传输 8比特  其中的1比特用来控制错误   传输数据速率 =  8000sample/sec * 7bits/sample = 56,000bps(bits/seconds)  (毛速率 64kbps 算8比特  8 * 8000 = 64kbps )

bps =  bits per seconds

∵电话网络就是4k   

∴连接调制解调器的本地回路使用的带宽被限制在4k之内   

xDSL 使用本地回路的全部物理带宽 达到1.1Mbps

1999年颁布的标准G.dmt    允许8M的下行带宽(目前下行速度可达24Mbps)    1M的上行带宽   

相比56k的调制解调器来说 这个带宽已经非常大了                                ∴这类服务叫宽带服务

1M的频宽如何去用?  

          ADSL(非对称数字用户线路)  分成了256根信道  每根约4k   第1根4k信道用于简单老式电话服务(POTS)  

接着的5根信道空闲  250根数据传输  这250根有的做上行 有的做下行 其余全部做数据传输  

光纤到户: FTTH  Fiber To The Home 光进铜退

干线: 多路复用技术:光纤  →  连接交换局(包括端局)的连接      

编解码器(codec)   将模拟信号数字化或数字信号模拟化: 脉冲编码调制(PCM)  →  一种将模拟信号数字化的技术

交换局:   PSTN中的交换技术: 电路交换和包交换(即分组交换)

 

基于PCM的TDM在干线(中继线)  →  多路电话语音每125微秒发送一个语音样值  →  北美和日本的T1载波  

24路信号的复用(一个TDM复用帧有193比特)

语音信道的采样率是每秒8000次    

传递TDM复用帧的时间间隔1/8000 sec = 125微秒    

T1线路的传输速率  193 bits / 0.000125 seconds = 1.544 Mbps

中国E1线路        E1可处理 32条语音的复用  32 * 8 = 256 bits/frame

语音信道的采样率是每秒8000次  

E1系列线路        传输速率是: 256 bits / 0.000125  seconds = 2.048Mbps

TDM允许更高级别的复用

语音信道的采样率是每秒8000次  

E1系列线路        传输速率是: 256 bits / 0.000125  seconds = 2.048Mbps

SONET / SDH    同步光网络  SONET(Synchronous Optical Network)

ANSIS 制定的 在光介质上进行同步数据传输的标准

同步数字序列 SDH  SONET(Synchronous digital hierarchy)

国际标准组织ITU制定的 在光介质上进行同步数据传输的   

两者几乎一样    SONET的4个设计目标  不同的承运商可协同工作 统一美国、欧洲和日本的数字系统  提供一种复用多数字信道的方法  

操作、管理和维护

(OAM: operations,administration and maintenance)

PSTN: 交换     电路交换(Circuit Switching)  

包交换(Packet Switching)  →  分组交换

电路交换

传统的电话系统   建立一条端到端的通路:建立连接  →  数据沿着通道按顺序送达:传数据  →  数据完成,拆除连接

 

 

包交换(分组交换)

IP电话数据业务   限制包/分组大小:允许包/分组存储在交换局的内存里  →  每个包携带目的地址、信息  →  独立寻径  →  乱序送达

 

电交换和分组/包交换的比较

1.带宽的分配形式不同  

 包交换是按需分配   电路交换是提前分配

2.容错能力的不同(分组交换更强)

分组交换独立寻径 → 交换设备瘫痪 → 包可绕道而行 → 具有更好的容错能力和抗毁性能

3.有无交换顺序的不同  

包交换不是按序(乱序)到达  电路交换是先发先到 后发后到,接收方无需排序

4.收费方法不同      

   包交换按照流量收费  电路交换按照时间来收费

小结

PSTN由本地回路、干线和交换局三大部分构成  调制解调器的调制 完成数字信号到模拟信号的转换

端局中codec的编码 完成模拟信号到数字信号的转换  

PSTN的核心是脉码调制PCM  T系列是用于北美和日本的一个时分复用系统  每125微秒传送一个T1复用帧

物理层设备

物理层是用来搬运比特流

物理层部件/设备有哪些?

一类是被动(无源)部件/设备:  插线板,插座,插头,电源  

(其中RJ45的插座和水晶头是物理层非常重要的部件) 

另一类主动(有源)部件/设备: 收发器 中继器 集线器

有源设备

收发器 Transceiver = Transmitter + Receiver 也称为 MAU : Media Attachment Unit

将一种形式的信号转变成另一种信号  早期是一个外设,现在是网卡上的部件  主要负责收发信号

中继器 Reapter : 中继器是物理层上另一个有源设备  主要的功能是再生信号(去噪、放大)   让线缆可以延伸得更远,突破UTP100米的传输距离限制

注意: 中继器不能过滤流量  过滤(Filter): 是指设备以一定的特征来屏蔽网络流量,并根据标准确定将流量转发或丢弃

集线器 Hub     定义: 多端口的中继器   主要功能也是 再生信号 即去噪和放大    集线器上的多端口,允许很多设备连接上来   还可以作为星型拓扑的中心

但是,它仍然不能过滤交通流量  

集线器收到信号后只进行一个操作:广播（泛洪） 从除了传入端口外的所有有其他端口转发信息

冲突

冲突 即信号的碰撞  当使用物理设备时,更多的用户争抢共享资源,导致冲突

电气表现:电压异常，数据被破坏(需要重传)

冲突域:数据包产生以及发生冲突的网络区域，即共享介质的区域

冲突域越大,冲突发生的可能性越大,网络性能下降  希望冲突域越小越好

当我们接入中继器和集线器,实际上是扩大了冲突域,让更多计算机共享资源

物理层设备都属于傻瓜设备,不具备过滤流量等智能功能

中继器(光中继器除外),集线器等设备已经很少使用

本文来自互联网用户投稿，文章观点仅代表作者本人，不代表本站立场，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处。 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请点击【内容举报】进行投诉反馈！