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

BaudRate=1TBaud Rate=\frac{1}{T}

​ 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：

    BitRate=BaudRate∗log2V,V为电平的状态数Bit Rate=Baud Rate*log_2V,V为电平的状态数

  • 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

    P=传送错的位数总的传送位数P=\frac{ 传送错的位数}{总的传送位数}


  • 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)

      发送时延=数据块长度信道带宽发送时延=\frac{数据块长度}{信道带宽}


    • 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

C=2B⋅log2VC:最大数据速率(比特/秒)B：带宽V：信号包含的离散等级个数C = 2B·log_2V \\\\ C:最大数据速率(比特/秒)\\ B：带宽\\ V：信号包含的离散等级个数


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！！！

C=B⋅log2(1+SN)C:最大数据速率(比特/秒)B:带宽S:信号功率N:噪声功率C=B·log_2(1+\frac{S}{N})\\ C:最大数据速率(比特/秒)\\ B:带宽\\ S:信号功率\\ N:噪声功率


$$ SNR_{dB}=10log_{10}(SNR)\\=10log_{10}(\frac{S}{N})\\ 单位是dB，分贝。 $$

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

ComputerNetwork3.1

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

ComputerNetwork3.2

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

ComputerNetwork3.3

Modem:数字信号转变为模拟信号

Codec：模拟信号转变为数字信号

ComputerNetwork3.4

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：

ComputerNetwork3.5


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