3计算机网络复习提纲第三章.docx

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3计算机网络复习提纲第三章

第3章物理层

3.1物理层概述

物理层的主要任务就是确定与传输媒体接口的下列特性：

（1）机械特性

指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

（2）电气特性

指明在接口电缆的那条线上出现的电压范围。

（3）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。

（4）规程特性

指明对于不同功能各种可能事件的顺序。

物理连接的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。

3.2数据通信系统的性能指标

基本概念：

数据（Data）：

传递（携带）信息的实体，信息（Information）则是数据的内容或解释。

--模拟（Analog）数据与数字（Digital）数据

信号（Signal）：

数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。

--模拟信号与数字信号

--基带（Baseband）与宽带（Broadband）信号

信道（Channel）：

传送信息的线路（或通路）。

比特率（BitRate）：

数据传输速率（bps，b/s）。

码元（CodeCell）：

时间轴上的一个信号编码单元。

波特率（Baud）：

每秒传送的码元数（即信号传送速率）。

1Baud=（log2M）bps

其中M是信号的编码级数。

也可以写成

Rbit=Rbaudlog2M

例如：

4级编码（p23图2.3b）

一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。

换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。

3.2.1带宽

带宽是指信号或信道占据的频率范围（信号具有的频带宽度），单位是Hz。

电话信号的标准带宽是3.1kHz（从300Hz到3.4kHz）。

信道容量（Channelcapacity）：

信道的最大数据率。

数字信道通常使用它所能传送的最高数据传输速率作为数据的发送速率（或传输速率），这个最高速率即称为数字信道的带宽。

带宽有时候也称为吞吐量，单位bit/s或者b/s。

信息编码：

将信息用二进制数表示的方法，如ASC码。

数据编码：

将数据用物理量表示的规则，如曼彻斯特编码。

3.2.2信息传输速率（Rb）

又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特/秒，记为b/s或者bps。

3.2.3码元传输速率

简称传码率，又称波特率或调制速率。

它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输的码元的个数，单位是波特（Baud），用符号“B”来表示。

波特率是单位时间内信息变化的次数。

信息传输率Rb与码元传输率B之间的关系为：

其中，N为码元的进制数。

3.2.4差错率

衡量数据通信系统可靠性的主要指标。

误码率又称码元差错率，是指在传输码元的总数中错误接受的码元数所占的比例。

P=错误的位数/传输的总位数

误信率指在传输的数据比特总数中错误接受的比特数所占的比例。

误码率指某一段时间的平均误码率，一般低于10e-8到10e-10.

3.2.5时延

数据传输的总时延等于发送时延、传播时延和处理时延的总和。

1.发送时延（传输时延）

发送时延是节点在发送数据时数据块从节点进入传输介质所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。

发送时延=数据块长度/信道带宽

2.传播时延

传播时延是数据在信道上的发送速率。

传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

3.处理时延

处理时延是数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延

高速网络链路提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率，即比特的传播时延与链路的带宽无关。

提高链路带宽只是减小了数据的发送时延。

3.2.6时延带宽和往返时间

传播时延带宽积=传播时延*带宽

往返时延表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认）总共经历的时延。

3.3传输方式和传输速率

3.3.1传输方式

1.串行传输与并行传输

（1）串行传输

以比特为单位，按照字符所包含的比特位的顺序，一位接一位的传输，到达接收方后，再由通信接收装置将串行比特流还原成字符。

传输速度慢；只需要一根传输线，成本低。

（2）并行传输

以字符为单位，一个字节接一个字节的传输，将一个字符所包含的几个比特同时在线路上传输。

传输速度快；需要多分传输线，成本高；一般用于近距离传输。

2.同步传输和异步传输（都属于同步技术）

（1）同步传输

不是以字符而是以数据块（一组字符或者比特流）为单位进行的传输，在传输中，字符之间不加起始位和停止位，而在每个数据块前后加上起始和结束标志。

标志的特性取决于数据块是面向字符还是面向比特。

（2）异步传输

以5位或者8位为单位进行传输，每个字符前附加一个起始位“0”，表示该字符代码开始，后面附加1-2个停止位“1”，表示该字符代码结束。

“异步”是指各个字符相互独立，字符之间的间隔可以不相等，并不意味着首发双方可以不同步。

3.单工、半双工和全双工数据传输

（1）单工通信（单向通信）：

数据单向传输（无线电广播以及电视广播）

（2）半双工通信（双向交替通信）：

数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）

（3）全双工通信（双向同时通信）：

数据可同时双向传输（电话）

两个方向的信号共享链路带宽：

（1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或者

（2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输

4.模拟信道和数字信道

电话线传输的是模拟信号，而计算机输出的是数字信号。

两种信号可以互相转换。

5.基带传输和频带传输

（1）基带传输：

不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。

例如：

以太网

（2）频带传输：

调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。

例如：

通过电话模拟信道传输

3.3.2传输速率

1.信道上的最高码元传输速率

书中公式：

理想低通信道的最高码元传输速率=2W（Baud）

其中，W是理想低通信道的带宽，单位Hz，Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

对于具有理想矩形特性的信道（带宽为W），奈氏准则就变为：

理想低通信道的最高码元传输速率=W（Baud）

2.信道的极限信息传输速率（信道容量）

其中，S为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。

3.4信道复用技术

3.4.1频分多路复用FDM（不同的频带，同样的时间）

原理：

将具有一定的带宽的线路划分为若干条占有较小带宽的信道，每条信道供一个用户使用。

实现条件：

介质的带宽要远远超过每个信道的带宽

3.4.2时分多路复用TDM（同样的频带，不同的时间）

原理：

把时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占用的时间片内，该用户可使用全部带宽。

实现条件：

介质能达到的位传输率超过了各路信号所要求的数据传输率。

同步时分多路复用STDM：

按照固定的顺序把时间片分给各路信息。

异步时分多路复用ATDM：

时间片动态按需分配。

3.4.3波分多路复用WDM

原理：

由于光子通过光纤不要求空间，所以能够以不同的波长传送多个信息流，每个波长都可同时通过光纤。

是频分多路复用的一个变种。

极其可靠。

3.4.4码分多路复用CDM（同样的时间，同样的频带）

常用的名词是码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

原理：

1.每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。

2.每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。

如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。

如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的8bit码片序列是00011011。

送比特1时，就发送序列00011011，

发送比特0时，就发送序列11100100。

S站的码片序列：

（–1–1–1+1+1–1+1+1），其中-1代表0，+1代表1。

特点：

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）。

正交就是两站的码片向量的内积为0。

任何一个码片向量的规格化内积都为1，而一个码片向量和该码片反码向量的规格化内积为-1。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

3.5传输介质

3.5.1双绞线

既可用于模拟传输，也可用于数字传输。

1.非屏蔽双绞线电缆

可以在短距离内，使数据传输率达到100Mb/s。

2.屏蔽双绞线电缆（UTP最远传输距离100m）

可以提高双绞线的抗电磁干扰能力。

3.5.2同轴电缆

内导体用来传输信号，外导体用作地线及屏蔽干扰之用。

（1）基带同轴电缆（采用曼彻斯特编码方式）

一条电缆只用于一个信道，50，只适用于数字传输,适用于各种局域网

（2）宽带同轴电缆（适用于模拟传输和数字传输）

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输时，300—450MHz，100km，需要放大器

3.5.3光缆

一般由纤芯层、包层和套层三部分组成

光纤可以分为单模和多模两种传输方式。

单模只提供一条光通路，多模提供多条光通路。

3.5.4无线传输

1.无线点电波

短波无线电频带、高频电视及调频无线电频带、超高频无线电及电视频带。

2.微波通信

微波数据通信系统主要分为地面系统和卫星系统两种。

3.红外系统

红外系统采用光发射二极管（LED）和激光二极管（ILD）来进行站与站之间的数据交换。

3.6物理层标准

3.6.1EIA-RS232-D/CCITTV.24标准

EIA-RS232-D是DTE与DCE之间的接口标准。

针对模拟信道传输数据。

各种标准的各个方面的特性。

P57

3.6.2X.21建议书（针对数字信号传输数据）

3.6.3ISO有关机械接口的标准