物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

  • 码元：一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字，称为k进制码元
  • 信源，信宿，信道：分别是发送数据的源头，接收数据的终点，信号的传输媒介
  • 单向通信：一条信道，无线电广播，电视广播
  • 半双工通信：两条信道，任何一方不能同时发送和接收
  • 全双工通信：两条信道，两个方向的数据传输可以同时进行
  • 码元传输速率(波特率)：单位时间内传输的码元数，单位波特
  • 信息传输速率：单位时间内传输的二进制码元个数（比特数），单位比特/秒
  • 带宽：网络的通信线路所能传输数据的能力，表示单位时间内从网络中一点到另一点所能通过的”最高数据率”，单位b/s（Hz）

2.1.2 奈奎斯特定理和香农定理

2.1.2.1 奈奎斯特定理

  • 理想低通信道下极限数据传输速率：$2Wlog_2V$。其中W为理想低通信道带宽，V为每个码元离散电平数目。

2.1.2.2 香农定理

  • 香农定理是奈氏准则的推广，它规定了信息传输速率的上限，即信道的最大信息传输速率= $Wlog_2(1\ +\ S/N)$，其中W为信道带宽，S/N为信噪比。信噪比为$10log_10(S/N)$，单位dB
  • 奈氏准则只考虑了带宽与极限码元与传输速率的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，也考虑了信噪比。从侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

2.1.3 电路交换，报文交换和分组交换

2.1.3.1. 电路交换

  • 连接建立，数据传输，连接释放
  • 用户始终占用端到端的固定传输宽带
  • 优点：
    • 通信时延小
    • 有序传输
    • 没有冲突
    • 实时性强
  • 缺点：
    • 建立连接时间长
    • 线路独占
    • 灵活性差

2.1.3.2 报文交换

  • 报文携带目标地址，源地址等信息，在交换节点采用存储转发的传输方式。
  • 优点：
    • 无需建立连接
    • 线路利用率高
    • 动态分配线路
    • 提高线路可靠性
    • 提供多目标服务
  • 缺点：
    • 引起转发时延
    • 报文大小没有限制，要求网络结点有较大缓存空间

2.1.3.3 分组交换

  • 限制每次传送数据块大小的上限，把大数据块划分为合理的小数据块，加上控制信息，构成分组。
  • 优点：
    • 无需建立连接
    • 线路利用率高
    • 简化存储管理
    • 加速传输
    • 减少出错概率和重发数据量。
  • 缺点：
    • 存在传输时延
    • 需要传输额外信息量
    • 分组采用数据报形式的时候，可能出现失序、丢失或者重复分组

2.1.4 数据报与虚电路

分组交换可进一步分为无连接的数据报和面向连接的虚电路。两种服务方式都由网络层提供。

2.1.4.1 数据报

  • 无连接的，不可靠的，尽最大努力交付的服务。
  • 分组在交换节点中采用存储转发的方式传输，需要排队等候处理，造成时延
  • 网络具有冗余路径
  • 存储转发延时一般较小，提高网络吞吐量
  • 收发双方不独占某条链路，资源利用率高

2.1.4.2 虚电路

  • 发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，必须有连接的建立
  • 保证分组有序
  • 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径
  • 可靠性由网络保证
  • 网络中某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或链路的虚电路将遭到破坏
  • 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小

2.2 物理层设备

2.2.1 中继器

  • 将信号整形并放大，信号再生
  • 不能连接两个不同速率的局域网(没有存储转发功能，不能连接两个不同的协议)
  • 5-4-3规则：4个中继器串联的5段通信介质只有3段可以挂接计算机

2.2.2 集线器

  • 多端口中继器，作信号放大和转发作用，扩大网络传输范围
  • 主要使用双绞线组件共享网络