计网 第三讲 物理层 (2023.3.3-3.14)
核心功能
Defining the electrical, timing and other interfaces by which bitsare sent as signalsover channels.
定义传输媒体的接口,为上层的数据链路层提供服务
- Bit - signal transformation
- Bit synchronization 位同步,从信号中提取出正确的位数
- circuit switching
- Bit rate control
- multiplexing 复用 多个信号合在一起使用同一条信道
简单数据通信模型(电话网)
要将数字信号调制为模拟信号,才能在模拟信道中传输
到达接收方后,信号重新解调为数字信号
采用Modem设备进行调制
Source - modem - network - modem - server
概念
-
Channel(信道):传送信息的媒体(介质)
-
Bandwidth:The Width of the frequency range transmitted without being strongly attenuated (Hz) 带宽
最高频率-最低频率,表示每秒最多能发送多少位数据到信道上
-
Bit Rate(bps): The number of bitstransmitted per second 数据率(比特率)
每秒能发送的数据位数
The digital bandwidthis expressed in bps
-
Baud Rate(Baud): The number of signal unitsper second required to represent bits 信号速率(波特率)
每秒能发送的信号条数
T is the period of a signal unit
-
另一条计算公式由电平级数(电平状态数)来表示:
-
信道容量 Channel Capacity 信道的最大数据率
-
吞吐量 Throughput 表示单位时间内网络可以传送的数据位数(bps)
-
负载 Load 表示单位时间内进入网络的数据位数(bps)
-
传播速度 Propagation speed 通信线路上,信号单位时间内传送的距离(米/秒)
-
误码率BER(Bit Error Rate):信道传输可靠性指标
-
时延(Delay/延迟):从向网络中发送数据块的第一位开始,到最后一位数据被接收所经历的时间
-
时延的组成:发送时延、传播时延、节点处理时延、排队时延
-
发送时延(Transmission Delay):设备发送一个数据块所需要的时间(与数据块长度与信道带宽有关)
-
传播时延(Propagation Delay):信号通过传输介质的时间。
-
节点处理时延(Nodal Processing Delay):交换机/路由器检查数据、选路的时间
-
排队时延(Queuing Delay):在交换机/路由器中排队等待的时间
-
概念之二
-
Simplex(单工) Transmission occurs in only one direction
eg. FM Radio broadcasting
-
Half-duplex(半双工) Transmission can be made in both direction, but at one time only one direction is available
eg. talkie and walkie(对讲机)
-
Full-duplex(全双工) Transmission can be made in both directions simultaneously
eg. Phone conversation
-
Asynchronous Transmission异步传输
-
独立时钟,无须同步
-
以字符为单位进行传输
-
发送两个字符之间的间隔是任意的
-
接收方依靠字符中的起始位和停止位来同步
-
-
Synchronous Transmission同步传输
- 以时钟信号线对传输的数据线上的信号进行比特同步
- 以数据块(帧或分组)为单位传输
信号传输中存在的一些问题
- Signal received may differ from signal transmitted
- Analog - degradation of signal quality
- Digital - bit errors
- Caused by
- Attenuation(衰减) and attenuation distortion(失真)
- Delay distortion(时延失真)
- Noise(噪声)
带宽 Bandwidth
Range of frequencies transmitted without being strongly (0.5) attenuated is called bandwidth
bandwidth is a physical propertyof the transmission medium, depends on
- construction
- thickness
- length
信道的最大数据速率的计算
Nyquist Bit Rate 奈奎斯特公式
适用于无噪声信道
Shannon Capacity 香农公式
适用于带有噪声信道
求的是上限,是理论最大值!!!
$$ SNR_{dB}=10log_{10}(SNR)\\=10log_{10}(\frac{S}{N})\\ 单位是dB,分贝。 $$
为了以防万一,建议两条式子都算过后,取较低值
传输介质
双绞线 twisted pair
- 模拟信号 电话线 1MHZ
- 数字信号 网线 100Mbps
螺旋交叉缠绕,防止信号干扰串音,且绕的密度越大,效果越好
同轴电缆 coaxial cable
- 模拟信号 CATV MHZ~GHZ
- 数字信号 LAN、电话的交换机之间 Mbps
- 比双绞线性能更好,抗干扰能力更强
光纤
全反射
接下来是无线传输介质 wireless transmission
- 误码率高
- 传输全方位
- 信号衰减快,传输距离短
无线电传输 Radio Transmission
wifi就是这个
微波传输 Microwave Transmission
红外传输 Infrared Transmission
光通信
卫星
270ms延迟
数字调制
Signal(A) | Signal(D) | |
---|---|---|
Data(A) | Telephone | PCM |
Data(D) | Modulation(调制) | Line Encoding |
QAM星云图
实际上就是通过控制相位与振幅,来控制一条波的信号等级
如何确保调制信号时同步?
-
曼彻斯特编码Manchester encoding
可以使用下降沿为0,上升沿为1的编码方式,实现编码,同时,在每一位的中间实现跳变,可以确保时钟同步
与传统的NRZI型比较,代价是要求比较高的信号速率和比较高的波特率
- PCM 在数字信道上承载模拟信号,如数字化声音,用于电话交换机,采用脉冲编码调制(连续电磁波变为方波)
复用 multiplexing
Frequency Division Multiplexing(FDM,频分复用)
Wavelength Division Multiplexing(WDM,波分复用)
Time Division Multiplexing(TDM,时分复用)
- S(ynchronous)TDM 同步时分复用 按照相同顺序发送 每个用户得到的带宽是不变的 如数字化声音PCM
- S(tatistical)TDM 数据时分复用 不按相同顺序发送 有数据就发送 但需要带上地址
Code DIvision Multiplexing(CDM,码分复用)
物理网:PSTN 固定电话系统
Modem:数字信号转变为模拟信号
Codec:模拟信号转变为数字信号
ADSL可实现电话与网络同时进行通信
物理网:电视网络系统
HFC:混合光纤同轴
一部分是模拟信道,传电视数据,一部分上行+下行用于计算机
交换
电路交换
电话网
- 面向连接型(物理连接)
- 预先分配固定带宽资源
- 路径预先选择
分组交换
- 需要先对数据进行分组
- 发送不需要连接
- 每一组单独进行处理和路由选择
- 存储-转发
两者的区别是:
生活中物理层的例子
IEEE802.3,10baseT
以太网10M
电气特性:曼彻斯特编码
功能特性:1,2号一对负责sending,3,6号一对负责接收
全双工