计算机网络—笔记2:物理层

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1. 通信基础

1.1 物理层的目标

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注意:物理层解决的是数据如何进行传输,实现途径是定义传输媒介接口的特性;而不是指具体的媒介(比如,光纤)

1.2 数据通信基本知识

1.2.1 典型的数据通信模型

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注意:信道是有方向的,类似于矢量。故一条通信线路上包含两条信道。

1.2.2 设计通信系统要考虑的三个问题

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1.2.2.1 三种通信方式

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1.2.2.2 数据传输方式

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1.2.2.3 实现同步通信的两种方式

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注意:上面的同步传输和异步传输都是为了实现同步通信。

  1. 串行、并行传输是传输方式,可位于计算机内部或计算机之间。而同步传输和异步传输是通信方式,是位于计算机之间的通信方式。
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1.2.3 码元与带宽

1.2.3.1 码元传输速率(波特率)与信息传输速率(比特率)

注意:以上的码元传输速率(波特率)信息传输速率(比特率)都是指的信号的发送速率。包括nice香农计算的都是信号的发送速率
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注意:

  1. 在速率中B表示波特,而在容量中B表示字节。
  2. 码元速率与信息速率的转换练习:
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1.2.3.2 带宽

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1.3 奈奎斯特定理与香农定理

由于信号在传输过程中会出现失真的情况,那么自然的我们要想办法去解决失真的问题。而失真有如下四个影响因素:

  1. 码元传输速率。(越快越容易失真)+
  2. 信号传输距离。(越远越容易失真)+
  3. 噪声干扰。(噪声越大越容易失真)+
  4. 传输媒介质量。(质量越好越不容易失真)-

知道了影响失真的因素,我们就可以改善这四个方面,从而提高信号传输速率。

接下来,我们讲介绍两个重要定理奈奎斯特定理与香农定理,前者是从码元传输速率这个因素考虑,后者是从噪声干扰这个因素考虑。

1.3.1 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理是从码元传输速率这个因素考虑问题。

信号在传输过程中,不是无上限的越快越好。若速度超过一个界限会出现严重的码间串扰的问题,以至于信号失真。而奈奎斯特定理就是指明了这个界限的计算公式。知道了这个界限,我们能更好的提高信号传输速率。
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1.3.2 香农定理

香农定理是从码元传输速率这个因素考虑问题。
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1.3.3 奈奎斯特定理 vs 香农定理

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注意:

  1. 题目说理想低通信道无噪音二进制信号(或二进制码元)就用nice准则,如果题目只说信道或给出噪音比就用香农定理。例子:
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  1. 如果以上既有理想低通信道无噪音二进制信号(或二进制码元),又有信道噪音比,就nice 和 香农 都算,再取最小的那个
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  2. 如果题目没有提到上面的信息,则很有可能是采样这类体型。采样这类体型的核心: 数据传输率 <= 采样速率
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  3. 关于复用线路的题。核心:N个复用,速率最后要乘N在这里插入图片描述

1.4 编码与调制

1.4.1 基本概念

1.4.1.1 基带信号与带宽信号

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注意:
1.基带传输和宽带传输。在模拟信道上传输信号(无论是数字信号还是模拟信号)都是宽带(频带)传输。在数字信道上上传输信号(无论是数字信号还是模拟信号)都是基带传输
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1.4.1.2 编码与调制的区分

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1.4.2 数字数据编码为数字信号

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注意:

  1. 差分、曼切、归零的时钟在信号之间,也就是段中。
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  2. 以上是适用于数字信号,而不是模拟信号。
  3. 记住归零编码为RZ,非归零编码为NRZ,反向不归零编码NRZI
  4. 曼切斯特编码可以高为1,也可以高为0.
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  5. 以太网采用的是曼切斯特编码。

1.4.3 数字数据调制为模拟信号

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注意:记住英文QAM是将数字数据转为模拟信号

1.4.4 模拟数据编码为数字信号

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注意:PCM(脉冲编码调制)是将模拟数据转为数字信号

1.4.5 模拟数据调制为模拟信号

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1.4.6 小结

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1.5 三种交换技术

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1.5.1 电路交换方式

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  • 电路交换:

    1. 建立连接:两台设备通讯前,需要通过交换机选择连接路径
    2. 数据传输:传输数据,该连接的端口和线路被占用,其他的设备不能使用
    3. 断开连接:释放资源
  • 电路交换机适合于:

    1. 数据量很大的实时性传输(比如语音视频、电话)
    2. 核心路由器之间可以使用电路交换
  • 特点:

    1. 缺点:需要建立连接,连接后才能通讯。即端口是专用的,会被占用。
    2. 优点:能够进行实时性传输,时延少。
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1.5.2 报文交换(存储-转发)

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  • 报文交换(存储-转发):
    1. 封装数据:用户数据不分组,直接加上源地址,目的地址、校验码等辅助信息后封装成报文
    2. 存储:将报文传送到相邻结点,该结点接受整个报文后才能进行转发操作
    3. 转发:将接受到的完整报文根据转发表,发送给下一个结点
  • 特点:
    1. 优点:可以实现不同链路之间不同数据率的转换;可以实现格式转换;实现差错控制
    2. 缺点:传输文件大;延迟很大;增加了缓冲时延。
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1.5.3 分组交换

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  • 分组交换:分组交换会将要传送的数据分成诺干组,每一组用首部来标识目的地,每一组独立传输,走的路径可能不一样(一般是走两个通讯点间的最短路径)

  • 特点:

    1. 不需要建立连接,即不会存在端口占用的情况
    2. 多台设备进行通讯时,如果同时需要用公共网络中的某一段连接,会进行排队,依次通过。
    3. 中间的绿色路由器能够存储转发数据。因为要进行排列等待,会暂时存储数据。
    • 优点:高效、灵活、迅速、可靠
    • 缺点:有时延,有时间开销
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注意:分组交换有两种方式:虚电路和数据报方式。而电路交换和报文交换没有这虚电路和数据报的说法。

1.5.3.1 数据报方式

(1)采用数据报方式通信流程:
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(2)特点:
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1.5.3.2 虚电路方式(分组交换与电路交换的结合)

(1)采用虚电路方式通信流程:
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(2)特点:
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注意:

  1. 判断:分组交换中同一报文的分组可以通过不同的传输路径通过通信子网到达目的。
    错误。因为分组交换有两种方式,只有虚电路和数据报方式,只有数据报才是的。

1.5.3.3 数据报方式 vs 虚电路方式

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1.5.4 三种交换方式的比较

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注意:

  1. 电路交换常考特点:
    1. 网络传输时延最小
    2. 没有差错控制
    3. 分组的数据可能顺序到达
  2. 报文交换常考特点:
    1. 传输时延长
    2. 报文长度不固定
    3. 只适用于数字信号,声音这类模拟信号不行
  3. 分组交换常考特点:
    1. 传输单位小,且有固定最大长度。
    2. 分组的数据可能顺序到达,也可能不顺序到达。
  4. 虚电路服务常考特点:
    1. 没有差错控制,故不能检错
    2. 面向连接
    3. 分组的数据顺序到达
  5. 关于数据报方式的时间计算。
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2. 传输介质

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2.1 导向性传输介质

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2.2 非导向性传输介质

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2.3 小结

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3. 物理层设备

3.1 中继器

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3.2 集线器

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