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Chapter 2 Physical Layer

通信基本概念

1.1 数据、信号与码元

  • 数据是指传送信息的实体。连续数据称为模拟数据,离散数据称为数字数据。数据传输方式可分为串行传输和并行传输。
  • 信号则是数据的电气或电磁表现,是数据在传输过程中的存在形式。连续信号称为模拟信号,离散数值的信号称为数字信号。
  • 码元是指用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字,代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位,这个时长内的信号称为k进制码元,而该时长称为码元宽度。1码元可以携带若干比特的信息址。

1.2 信源、信道与信宿

数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

  • 信源是产生和发送数据的源头。
  • 信道是信号的传输媒介。一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
  • 信宿是接收数据的终点。

1.2.1 信道分类

  • 按传输信号
    • 模拟信道(宽带传输)
    • 数字信道(基带传输)
  • 按传输介质
    • 无线信道
    • 有线信道

1.2.2 通信方式

  • 单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道。例如,无线电 广播、电视广播。
  • 半双工通信。通信的双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收信 息,此时需要两条信道。
  • 全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息,也需要两条信道。

1.3 速率、波特与带宽

  • 速率也称数据率,指的是数据传输速率,表示单位时间内传输的数据盘。
    • 码元传输速率。又称波特率,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数,单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
    • 信息传输速率。又称信息速率、比特率等,它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(b/s).
  • 带宽表示网络的通信线路所能传输数据的能力,即单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

电路交换、报文交换与分组交换

2.1 电路交换

在进行数据传输前,两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径,该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占,直到通信结束后才被释放。因此,电路交换技术分为三个阶段:连接建立、数据传输和连接释放。

  • 优点
    • 通信时延小,适合传输数据量大的内容。
    • 有序传输
    • 没有冲突
    • 适用范围广
    • 实时性强
    • 控制简单
  • 缺点
    • 建立连接时间长
    • 资源利用率低
    • 灵活性差

2.2 报文交换

数据交换的单位是报文,报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。

  • 优点

    • 无需建立连接
    • 动态分配线路
    • 提高线路可靠性
    • 提高线路利用率
    • 提供多目标服务
  • 缺点

    • 存储、转发带来转发时延
    • 由于报文大小没有限制,网络结点需要较大的缓存空间。

2.3 分组交换

分组交换也采用存储转发方式,分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限,把大的数据块划分为合理的小数据块,再加上一些必要的控制信息(如源地址、目的地址和编号信息等),构成分组(Packet)。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点,下一个结点接收到分组后,暂时保存并排队等待传输,然后根据分组控制信息选择它的下一个结点,直到到达目的结点。

  • 优点
    • 无建立时延
    • 线路利用率高
    • 简化存储
    • 加速传输(分组的存储转发可并行)
    • 减少了出错概率和重发数据量
  • 缺点
    • 存在传输时延
    • 需要传输额外的信息量
    • 数据报服务时,可能会出现失序、丢失或重复分组

img-description 三种交换方式的比较

数据报和虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务,还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。

3.1 数据报

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时,在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元,并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组(即网络层的PDU)。 假定主机A要向主机B发送分组。

  • 主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A,交换结点A缓存收到的分组。
  • 然后查找自己的转发表,根据路由选择算法将有的分组转发给交换结点c,有的分组转发给交换结点D,
  • 网络中的其他结点收到分组后,类似地转发分组,直到分组最终到达主机B。

3.2 虚电路

分组发送之前,要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路

  • 系统每次建立虚电路时,选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路
  • 虚电路网络中的每个结点上都维持一张虚电路表

img-description 虚电路建立电路过程

3.3 数据报和虚电路的比较

img-description

传输介质

4.1 四种媒介

  • 双绞线
  • 同轴电缆,广泛用于传输速率较高的数据,传输距离更远。
  • 光纤,带宽范围较大。
  • 无线传输
    • 无线电波
    • 微波、红外线和激光

4.2 物理层接口特性

  • 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、固定和锁定装置等。
  • 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。或称规程特性。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

常用的物理层接口标准有EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH等。

物理层设备

5.1 中继器

  • 功能是将信号整形并放大再转发出去,以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减,使信号的波形和强度达到所需要的要求,进而扩大网络传输的距离。
  • 原理是信号再生(而非简单地将衰减的信号放大)。
  • 中继器有两个端口,数据从–个端口输入,再从另一个端口发出。由于中继器工作在物理层,因此它不能连接两个具有不同速率的局域网,故中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

【注】在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中,互相串联的中继器的个数不能超过4个,而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机,其余两段只能用作扩展通信范围的链路段,不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。放大器和中继器都起放大作用,只不过放大器放大的是模拟信号,原理是将衰减的信号放大,而中继器放大的是数字信号,原理是将衰减的信号整形再生。

5.2 集线器

  • 集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器。
  • 当Hub工作时,一个端口接收到数据信号后,Hub便将该信号进行整形放大,使之恢复到发送时的状态,紧接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口。如果同时有两个或多个端口输入,那么输出时会发生冲突,致使这些数据都无效。
  • 功能:它在网络中只起信号放大和转发作用,目的是扩大网络的传输范围,而不具备信号的定向传送能力,是一个标准的共享式设备。
  • 缺点:Hub的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段,同时Hub也只能在半双工状态下工作,网络的吞吐率因而受到限制。
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Chapter 1 Overview of Computer Networks

Chapter 3 Data Link Layer