第二章 物理層
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2.1 通信基礎
通信的目的：傳達消息。
2.1.1 基本概念
1.數據、信號
1.數據：傳送消息的實體，通常是有意義的符號序列（二進制0，1序列）。
/*數據通信*/：指在不同的計算機之間傳輸信息的二進制數0，1序列的過程。
2.信號：數據的電氣/電磁的表示，是數據在傳輸過程中的/*存在形式*/。
數字信號/離散信號：代表消息的參數的取值是離散的。
模擬信號/連續信號：代表消息的參數的取值是連續的。
2. 信源、信道與信宿
1.信源：產生和發送數據的源頭。
2.信宿：接收數據的終點。
3.信道：信號的傳輸媒介。一般用來表示向某一個方向（信道有方向性）傳送信息的介質，因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
/*信道：*/
//按傳輸信號分：
模擬信道（傳送模擬信號）、數字信道（傳送數字信號）
//按傳輸介質分：
無線信道、有線信道
3.設計通信系統要考慮的3個問題？
1.採用單工通信/半雙工/全雙工通信發送？
三種數據通信方式：
1.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。
2.半雙工通信/雙向交替通信：通信雙方都可以發送和接收信息，但任何一方都不能同時發送和接受，需要/*兩條*/信道。
3.全雙工通信/雙向同時通信：通信雙方可以同時發送和接收信息，也需要/*兩條*/信道。
2. 採用串行通信/並行通信方式？
兩種數據傳輸方式：
1.串行傳輸：將表示一個字符的8位二進制數由低位到高位的順序一次發送。（速度慢、費用低、適合遠距離）
2.並行傳輸：將表示一個字符的8位二進制數同時通過8條信道發送。（速度快、費用高、適合近距離）
3.採用同步通信/異步通信方式？
兩種實現同步的傳輸/通信方式：
1.同步傳輸：在同步傳輸模式下，數據的傳送是以一個/*數據區塊*/爲單位，因此同步傳輸又稱爲區塊傳輸。
在傳送數據時，需要先發送1個或多個/*同步字符*/，再送出整批數據。
2.異步傳輸：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。發順豐可以再任何時候發送這些比特組，而接收方不知道他們會在什麼時候到達。傳送數據時，加一個字符起始位和一個字符終止位。
4.碼元
1.碼元是指用個/*固定時長的信號波形*/代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱爲K進制碼元，而該時長稱爲碼元寬度。
2.當碼元的離散狀態有M個時，此時碼元爲M進制碼元。
3.一個碼元可以攜帶多少比特的信息量。
如：4進制碼元 --> 碼元的離散狀態有4個 --> 4種高低不同信號波形 00 01 10 11 所以一個碼元攜帶2b。 //2的n次方 = 幾進制碼元 -- > n爲比特數。
log(2)K = ?bit (以2爲底)
如：16進制碼元 --> 4b。
5. 速率、波特與帶寬
1.速率
速率也叫數據率，是指數據的傳輸速率,表示單位時間內傳輸的數據量，可以用碼元傳輸速率和信息傳輸速率表示。
1.1 碼元傳輸速率
碼元傳輸速率：別名碼元速率，波形速率，調製速率，符號速率等，他表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（也可以稱爲脈衝個數或信號變化次數），單位是波特（Baud）。1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元。
1.2 信息傳輸速率
信息傳輸速率：別名信息速率、比特率等，表示單位時間內數字通信系統的二進制碼元（即比特數），單位是比特/秒（b/s）。
1.3 關係
關係：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的信息傳輸速率爲 M x n （bit/s）
如：2B * 2B = 4b/s
例題
2000Baud , 4000b/s ; 1200Baud, 4800b/s; 十六進制的快。
2.帶寬（Bandwidth）
1.模擬信號系統中：當輸入的信號頻率高或低到一定程度，使得系統的輸出功率成爲輸入功率的一時，
/*最高頻率和最低頻率間的差值就代表了系統的通頻帶寬，單位是赫茲。*/
2.數字設備中：表示在單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”/單位時間內通過鏈路的數量，
常用來表示網絡的通信線路所能傳輸數據的能力。//單位時比特每秒（bps）
2.1.2 奈奎斯特定理與香農定理
1.失真
1.1 影響失真程度的因素：
- 碼元傳輸速率
- 信息傳輸距離
- 噪聲干擾
- 傳輸媒體質量
1.2失真的一種現象–碼間串擾
信道帶寬 （Hz）：
是信道能通過的最高頻率和最低頻率之差。
2.奈奎斯特定理
奈氏準則：在理想低通（無噪聲，寬帶受限）條件下，爲了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率爲 2W Baud，W是信道帶寬。這裏帶寬是Hz爲單位。
3.香農定理
3.1 信噪比
信噪比 = 信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記爲S/N,並用分貝（dB）作爲度量單位：
3.2 香農定理
在帶寬受限且有噪聲的信道中，爲了不產生誤差，信號的數據傳輸速率有上限值。
結論：
4. 奈氏與香農的區別
2.1.3 編碼與調製
1. 基帶信號和寬帶信號
信道：
信號的傳輸媒介。
編碼和調製：
2. 數字數據編碼爲數字信號
##### 2.1 非歸零編碼【NRZ】
##### 2.2 曼徹斯特編碼
##### 2.3 差分曼徹斯特編碼
##### 2.4 歸零編碼【RZ】
##### 2.5 反向不歸零編碼【NRZI】
##### 2.6 4B/5B編碼
3. 數字數據調製爲模擬信號
1.數字數據調製技術在發送端將數字信號轉變爲模擬信號，而在接收端將模擬信號還原成數字信號，分別對應調制解調器的調製和解調過程。
2.調幅（2ASK）
3.調頻(2FSK)
4.調相(2PSK)
5.調幅+調相(QAM)
4. 模擬數據編碼爲數字信號
計算機內部處理的是二進制數據，處理的都是數字音頻，所以需要將模擬音頻通過採樣量化，轉換成有限個數字表示的離散序列。
1.脈碼調製（PCM）
1.抽樣
2.量化
3.編碼
5.模擬數據調製爲模擬信號
爲了實現傳輸的有效性，可能需要較高的頻率，這種調製方式還可以使用頻分複用技術，充分利用帶寬資源。在電話機和本地交換機傳輸的信號是採用模擬信號傳輸模擬數據的方式；模擬聲音數據是加載到模擬的載波號中傳輸的。
2.1.4 電路交換、報文交換與分組交換
1.電路交換
| 電路交換優點 | 電路交換缺點 |
|---|---|
| 傳輸時延小 | 建立連接時間長 |
| 數據順序傳送，無失序問題 | 線路獨佔，即使通信線路空閒，也不能供其他用戶使用，信道使用效率低。 |
| 實時性強，雙方一旦建立物理通路，便可以實時通信，適用於交互會話類通信。 | 靈活性差，雙方連接通絡中任何一點出了故障，比須重新建立新連接不適合突發性通信。 |
| 全雙工通信，沒有衝突，通信雙方有不同的信道，不會爭用物理信道。 | 無數據存儲能力，難以平滑通信量。 |
| 適用於模擬信號和數字信號 | 電路交換時，數據直達，不同類型、不同規格、不同速率的終端很難相互進行通信。 |
| 控制簡單，電路的交換設備及控制比較簡單。 | 無法發現與糾正傳輸差錯，難以在通信過程中進行差錯控制。 |
2.報文交換
| 報文交換優點 | 報文交換缺點 |
|---|---|
| 無需建立連接，無建立連接時延，用戶可隨時發送數據報。 | 實時性差。 |
| 動態分配線路，動態選擇報文通過的最佳路徑，可以平滑通信量。 | 只適用於數字信號。 |
| 提高線路可靠性，某條傳輸路徑發送故障，可重新選擇另一條路徑傳輸。 | 要求網絡中每個結點有較大的緩衝區，爲了降低成本，減少結點的緩衝存儲器的容量，有時要把等待轉發的報文存在磁盤上，進一步增加了傳送時延。 |
| 提高線路利用率，通信雙方在不同的時間一段一段地部分佔有這條物理通道，多個報文可共享信道。 | |
| 提供多目標服務：一個報文可同時發往多個目的地址。 | |
| 在存儲轉發中容易實現代碼轉換和速率匹配，甚至收發雙方可以不同時處於可用狀態。這樣就便於類型、規模和速度不同的計算機之間進行通信。 |
3. 分組交換
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| 無建立時延，無需爲通信雙方預先建立一條專用通信線路，用戶可以隨時發送分組。 | 但仍然存在存儲轉發時延。 |
| 線路利用率高，多個分組可共享信道。 | 每個分組都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率。 |
| 簡化了存儲管理。 | 當分組交換採用數據報服務時，可能出現失序、丟失、或重複分組，分組到達目的結點時，要對分組按編號進行排序等工作。若採用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、數據傳輸、和虛電路釋放三個過程。 |
| 加速傳輸，前後兩分組可以併發操作；傳輸一個分組比一個報文所需緩衝區小，減少等待發送時間。 | |
| 可靠性強，時延小。 | |
| 分組短小，適用於計算機之間突發式數據通信。 |
2.1.5 分組交換下的數據報與虛電路
1.數據報
1.1 數據報方式的特點：
2.虛電路
2.1 虛電路的特點：
3. 數據報與虛電路對比
| 數據報服務 | 虛電路服務 | |
|---|---|---|
| 連接的建立 | 不要 | 必須有 |
| 目的地址 | 每個分組都有完整的目的地址 | 僅在建立連接階段使用，之後每個分組使用長度較短的虛電路號 |
| 路由選擇 | 每個分組獨立地進行路由選擇和轉發 | 屬於同一條虛電路的分組按照同一路由轉發 |
| 分組選擇 | 不保證分組的有序到達 | 保證分組的有序到達 |
| 可靠性 | 不保證可靠性通信，可靠性由用戶主機來保證 | 可靠性由網絡保證 |
| 對網絡故障的適用性 | 出故障的結點丟失分組，其他分組路徑選擇發生變化，可正常傳輸。 | 所有經過故障結點的虛電路均不能正常工作 |
| 差錯處理二和流量控制 | 由用戶主機進行流量控制，不保證數據報的可靠性 | 可由分組網負責，也可由用戶機負責。 |
2.2傳輸介質
傳輸介質也稱傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送設備和接受設備之間的物理通路。
傳輸媒體不是物理層。
傳輸介質：
- 導向性傳輸介質 ： 電磁波被導向沿着固體媒介（銅線/光纖）傳播。
- 非導向性傳輸介質 ： 自由空氣、真空、海水等。
2.2.1 雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質
1.雙絞線
2. 同軸電纜
3.光纖
4.無線傳輸介質
1.無線電波 ：信號向所有方向傳播 、穿透強，可傳遠距離，廣泛用於通信領域
2.微波 ：信號固定方向傳播 、 數據率高
衛星通信：
優點：通信容量大
距離遠、覆蓋廣、廣播通信和多址通信
缺點：時延長、誤碼率高、成本高。
3.紅外線、激光 ： 信號固定方向傳播。
2.2.2 物理層接口的特性
物理層的主要任務：確定與傳輸媒體接口有關的一些特性。-------> 定義標準
1.機械特性
規定物理連接時採用的規格、接口形狀、/*引線數目引腳數量*/和排列情況。
2.電氣特性
規定傳輸二進制時，線路上信號的/*電壓範圍*/、阻抗匹配、傳輸/*速率和距離*/限制等。
3.功能特性
指明某條線上出現的某一/*電平表示何種意義*/，接口部件的信號線的用途。
4.規程特性
定義各條物理線路的/*工作規程和時序*/關係。
2.3 物理層設備
2.3.1 中繼器
誕生原因：由於存在消耗，在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時造成信號失真，因此會導致接收錯誤
中繼器的功能：對信號進行再生和還原，對衰弱的信號進行放大保持與與原數據相同，以增加信號傳輸距離，延長網絡長度。
再生數字信號
2.3.2 集線器（多口中繼器）
集線器功能：對信號進行再生放大轉發，對衰減的信號進行放大，接着轉發到其他所有，處於工作狀態的端口上，以增加信號傳輸的距離，延長網絡的長度不具備信號的定向傳送能力，是一個共享式設備。
再生，放大信號
