计算机网络-期末复习第二章

1. 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流,而不是指具体的传输媒体

• 作用:尽可能地屏蔽掉不同传输媒体的通信手段的差异
• 用于物理层的协议也通常称为物理层规程

2. 物理层的四大特性

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性

• 机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定要和锁定装置等,平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定
• 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意义
• 过程特性:指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序

数据在计算机内部多采用并行的传输方式,但是数据在通信线路一般是串行传输的,传输媒体上的传输方式一般都是串行传输,也就是逐个比特按照时间顺序传输。

3. 数据通信系统的基础知识(数据、信号、码元)

• 消息(message):通信的目的是为了传送消息

• 数据(data):是运送消息的实体,数据是用特定方式表示的信息,通常是有意义的符号序列

• 信号(signal):是数据的电气或者电磁的表现

  • 模拟信号:代表消息的参数的取值是连续的
  • 数字信号:代表消息的参数的取值是离散的

• 码元:在使用时间域(时域)的波形表示数字信号的时候,代表不同离散数值的基本波形,在使用二进制编码的时候,只有两种不同的码元,0状态和1状态

4. 信道的分类

信道(channel):用来表示向某个方向传送数据的媒体,一条通信电路往往包含有一条发送信道和接收信道。电路和信道并不等同

从通信的双方信息交互的方式来看,可以有以下三种方式

• 单向通信:称为单工通信,也就是只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信:称为半双工通信,也就是说通信的双方都可以收发信息,但是不允许双方同时发送(当然也不可以同时接收),这种通信方式是一方发送而另一方接收。
• 双向同时通信:称为全双工通信,也就是说通信的双方可以同时发送和接收信息,单向通信只需要一条信道,而双向交替通信或者双向同时通信则需要两条信道,每个方向各一条,显然,双向同时通信的传输效率是最高的。

来自信源的信号叫做基带信号(基本频带信号),像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号。

调制

基带调制:仅对基带信号的波形进行变换,将数字信号转化为另一种形式的数字信号,这个过程称为编码encoding

带通调制:使用载波进行调制,把基带信号的频率范围搬移到较高的频段,并转化为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号仅在一段频率范围内能够通过此信道

基本的带通调制方式

• 调幅(AM):载波的振幅随着基带数字信号而变化
• 调频(FM):载波的频率随着基带数字信号而变化
• 调相(PM):载波的初始相位随着基带数字信号而变化(也就是起始的y值嘛)

5. 信道的极限容量(奈氏准则、香农公式)

限制马原在信道上的传输速率的因素有

• 信道能够通过的频率范围:击退的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能够通过信道。

奈氏准则:在带宽为W(Hz)的低通信道中,如果不考虑噪声影响,则码元传输的最高速率是2W(码元/秒),传输速率超过这个上限,就会出现严重的码间干扰的问题,使得接收端对码元的识别称为不可能

• 信噪比:噪声的影响是相对的,如果信号相对较强,那么噪声的影响就相对较小,因此信噪比就很重要,所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比,通常记录为S/N,用分贝作为度量单位

信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)

香农公式指出,信道的极限信息传输速率是C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)

• W是信道的带宽(以Hz为单位)
• S是信道内所传信号的平均功率
• N为信道内部的高斯噪声功率

信道的带宽或者信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

6. 传输媒体

传输媒体也叫做传输介质或传输媒介,它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路,传输媒体可以分为两大类,也就是引导型媒体和非引导型媒体

• 导引型传输媒体:电磁波被导引沿着固定媒体传播
• 非导引型传输媒体:自由空间,在非导引型传输媒体中电磁波的传输通常称为无线传输

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• 双绞线
  • 最古老但是又最常用的传输媒体,把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法进行绞合(twist)起来就构成了双绞线
  • 绞合度越高,可用的数据传输率就越高
  • UTP:无屏蔽双绞线:无屏蔽层,价格较偏便宜
  • STP:屏蔽双绞线:带有屏蔽层,必须接有地线
  • 在抗干扰能力上,U/FTP比F/UTP要好,而F/FTP则是最好的,这些都是屏蔽双绞线
  • 无论是哪种类型的双绞线,衰减都随着频率的升高而增大
  • 双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系
• 同轴电缆
  • 由内导体铜质芯线(单股实心线或者多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成
  • 具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据
• 光纤
  • 光纤是光纤通信的传输媒体,通过传递光脉冲来进行通信
  • 其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
  • 注意:带宽指的是某信道所通过的最高数据率
  • 发送端:要有光源,在电脉冲的作用下产生出光脉冲
  • 接收端:要有光检测器,利用光点二极管做成,在检测到光脉冲时还原出电脉冲
  • 光线在纤芯中的传输方式是不断地进行全反射
  • 多模光纤:可以存在多条不同角度入射的光纤在一条光纤中传输,只适合近距离传输
  • 单模光纤:不会产生多次反射,衰耗较小
  • 通信容量非常大
  • 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁抗干扰性能好
  • 没有串音干扰,保密性好,不容易被窃听或者截取数据
  • 体积小,重量轻
• 无线电微波通信
  • 在空间中主要是通过直线传播
  • 多径效应:基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射,从多条路径,按照不同的时间到达接收方,多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真,这就是多径效应
  • 对于给定的调制方式和数据率,信噪比越大,误码率就越低
  • 对于同样的信噪比,具有更高数据率的调制技术的误码率也更高
  • 微波接力:中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站
  • 微波波段频率很高,频段范围很宽,其通信信道的容量很大
  • 工业干扰和甜点干扰对微波通信的位号很小,微波传输质量较高
  • 与相同容量和长度的电缆载波通信比较,微波接力通信建设投资少见效快
  • 缺点
  • 相邻站之间必须直视,不能有障碍,存在多径效应
  • 微波通信的隐蔽性保密性差
  • 会受恶劣天气的影响
  • 对大量中继站的使用和维护要耗费很多人力和物力
• 卫星通信:通信容量大,通信距离远,通信稳定,通信费用与距离无关

卫星信道的传播时延较大并不等于用卫星信道传送数据的时延较大

• 短波通信:(高频通信),主要依靠的是电离层的反射,但是电离层的不稳定所产生的衰落现象以及电离层所产生的多径效应,使得短波信道的通信质量比较差

7. 信道复用技术

7.1 复用

• 复用:允许用户使用一个共享信道进行通信

A1,B1,C1本来分别使用一个单独信道与A2,B2,C2进行通信,总共需要3个信道,但如果在发送端使用一个复用器,就可以用一个共享信道传送原来的额3路信号。

在接收端使用分用器,把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

7.2 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

频分复用是最基本的复用。有N路信号要在一个信道内进行传输,可以使用调制的方法,把各路信号分别搬移到适当的频率位置,就在自己所分配的信道中进行传送。频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源(指的是频带宽度而不是数据的发送速率)

7.3 时分复用(Time Division Multiplexing)

时分复用:其关键是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧),每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。

如图所示,使用时分复用的时候,会将该段时间划分为等长的N个TDM帧,注意是划分时间哈,然后在每个指定的时间帧内发送指定的信号,从而避免不同的串信号。

每一路所占用的时隙周期性地出现,其周期就是TDM帧的长度,因此TDM信号也叫做等时信号

7.4 频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)

使用FDM或者TDM技术可以让多个用户在不同地点共享信道资源,可以让N个用户各自使用一个频带,或者更多的用户轮流使用这N个频带,这种方式叫做频分多地接入FDMA,叫做频分多址

7.5 时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)

可以让N个用户各使用一个时隙,或者让更多的用户轮流使用这个N个时隙,这种方式叫做时分多址接入TDMA

对于多址的做法,其本质还是时分复用或者频分复用,FDMA或者TDMA中的MA表示多址,强调的是这种复用信道可以让多个用户进行使用。但是属于FDM或者TDM则是在说明在频域复用还是在时域进行复用

时分复用会导致信道利用率不高,当用户暂时没有数据发送的时候,这时候分配给该用户的时隙就只能处于空闲的状态。

7.6 统计时分复用(Statistic TDM)

统计时分复用:是一种改进的时分复用,可以明显地提高信道的使用率,集中器(concentrator)通常使用这种统计时分复用。

如图所示,统计时分复用与传统的时分复用的最大区别就在于每个用户所发送的数字信号是否一定按照固定分配的时隙出现在信道中。

统计时分复用的原理是：

各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存,如果没有数据的缓存就会跳过去,从而达到动态分配时隙的效果,同时,由于每个用户所发送的信号的时机不是固定的,为了配合集中器,接收端的分用器需要一个地址信息来区别是哪个用户过来的信号,从而达到分用的效果。

集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇性地工作的,避免集中器的缓存溢出

7.7 波分复用(Wavelength Division Multiplexing)

光的频分复用技术,用一根光纤来同时传输多个光载波信号

光的波长非常大,对于不同的信号,可以使用不同波长的光信号来传输信号。

7.8 码分复用(Code Division Multiplexing)

当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享的时候,就叫做码分多址(Code Division Mutiple Access),每一个用户可以在同样的时间内使用同样的频带进行通信。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此不会造成干扰。

工作原理

使用CDMA的每一个站指派一个唯一的m bit码片序列,然后开始传输比特流,传输细则如下

• 如果传输的是比特0,那么将会发送码片的反码
• 如果传输的是比特1,那么将会发送码片的本身

码片正交

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列必须是各不相同的,而且必须正交。

也就是说比如我这个站是S站,我的码片就叫做S,其他任意一个站我把它叫做T,那么对于任意的T的码片,我都有这个式子成立:

任意一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1

这是因为码片向量中不是1就是-1,那么如果两个码片向量完全相同,那么最终每一位得到的都会是1,然后全部加起来处于位数,那就是1了

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值就是-1
同理,一个码片向量不是1就是-1,那么每一位都会是-1,全部加起来然后除于位数,那就是-1

8. 物理层设备

8.1 中继器

又叫做转发器,主要功能是将信号整形放大再转发出去,以消除信号经过一长段电缆之后,因为噪声或者其他原因而造成的失真和衰减,使得信号的波形和强度达到所需要的需求,进而扩大网络传输的距离。

使用中继器连接的几个网段依然是一个局域网,一般情况下,中继器两端连接的是相同的媒体,不能连接两个不同速率的局域网

8.2 集线器

集线器(hub)实质上一个多端口的中继器,它也工作在物理层,当一个端口接收到数据信号之后,由于信号在从端口到Hub的传输过程已经有衰减,所以Hub会将该信号进行整形放大,使得其恢复到发送时的状态,然后转发到其他所有处于工作状态的端口。

如果同时有多个端口输入,那么输出的时候就会发生冲突,使得这些数据都无效。

它在网络中起到的是信号放大和转发的作用。目的是为了扩大网络的传输范围,而不具备信号的定向传送能力,也就是说信号传输的方向是固定的。

Hub主要使用双绞线组建共享网络,由hub组成的网络是共享式网络,但是逻辑上依然是一个总线网

课后习题

复习:香农公式的形式为

C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)

• 其中W是信道的带宽,单位HZ
• S/N为信噪比
• 最大信息传输速率为C,单位bit/s

(1)因此将上述公式代入到香农公式中,注意单位的转换

题目给的信息传输速率为kb/s,因此转换为bis/s还要乘于1000

35000=3100*log2(1+S/N)

化简得到350/31=log2(1+S/N)

由换底公式,可以得到350/31=lg(1+S/N)/lg2

所以算到lg(1+S/N)=350*lg2/31

(10)^(lg(1+S/N))=10^(350*lg2/31)

因此1+S/N约等于2511

同理,计算35000*1.6= 3100*log2(1+S1/N1)

容易得到10^(lg(1+S1/N1))=10^(350*1.6*lg2/31)

因此1+S1/N1=273526

因此信噪比应该增大到273525/2510约等于109

因此信噪比应该增大到100倍

(2)如果将信噪比在刚才基础上再增大10倍,也就是增大1090倍,也即有等式10*(S/N)=(S1/N1)

依据香农公式,求最大的传输速率为

C2=3100*log2(2511*1090)=65100

C1=56000

注:这个2511是(1+S/N)的值

那么增大的比例就是65100-56000/56000=16.25%

做这个题的方法是这样的

用收到的码片序列上的每一个向量中的值*站内码片序列的每一个向量中值/值的个数

• 如果求出来值是1,那么就证明发送的是1
• 如果求出来的值是-1,那么证明发送的是0
• 如果求出来的值是0,那么证明没有发送数据

A的计算结果=1证明发送的是1

B的计算结果=-1,证明发送的是0

C的计算结果=0,证明C没有发送数据

D的计算结果=1,证明D发送的是1