计算机网络3:物理层

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1. 傅里叶变换

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  • f = 1/T:基本频率,即一次谐波频率
  • an,bn:n 次谐波项的正弦和余弦振幅

由上述公式可得有如下结论:

  • 通过信道的谐波次数越多,信号越逼真
  • 传送信号脉冲频率越高(脉冲宽度越窄),要求信道的带宽就越大

2. 信道通信方式

  • 单工通信

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  • 半双工通信

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  • 全双工通信

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3. 传输方式

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  • 频带传输(模拟信号传输)

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    • 调制:数字信号 -> 模拟信号

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    • ASK,Amplitude Shift Keying

    • FSK, Frequency Shift Keying

    • PSK, Phase Shift Keying

    • 解调:模拟信号 -> 数字信号

    • 脉冲代码调制,PCM

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    • 差分脉冲代码调制:不是将振幅值直接数字化,二十根据前后两个采样值的差进行编码

  • 基带传输(数字信号传输)

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    • 一般采用低电平 0,高电平 1 的方式传输数据
    • 所占频率成分宽,对传输线有要求

4. 传输介质

  • 有线介质
    • 双绞线:模拟信号 + 数字信号,高频传输性能差
    • 同轴电缆:抗干扰性、价格适中
    • 光纤:通过光的有无表示数字信号,抗干扰性强,价格高
    • 特点:需要布线,抗干扰性好
  • 无线介质
    • 通过大气进行各种形式的传播,如:微波、红外线、卫星信道等
    • 特点:无需布线,抗干扰性差

5. 性能指标

  • 时延: 一个数据块(帧、分组、报文段等)从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间

    • 发送时延,Transmission Delay
      TD = 数据长度 / 信道带宽(发送速率)

    • 传播时延,Propagation Delay

    PD = 链路长度 / 传播速率

    • 转发时延,Relay Delay

    RD = 排队时延 + 入网时延 + 处理时延

  • 传输速率:每秒传输的编码前数字数据的二进制位数,单位 bps(bits per second)

  • 码元传输速率: 线路编码后的传输速率,每秒传输的码元大小,单位 baud/s,波特率(RB)

  • 编码效率:Rb / RB

  • 时延带宽积:传播时延 * 带宽,又称比特长度(以比特位单位的链路长度)

  • 误码率

    • 误比特率 = 传错的比特数 / 发出的比特数
    • 误帧率
    • 误分组率
  • 吞吐量:有效数据长度 / 总时延

  • 信道的最大数据传输率

    Nyquist 公式

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    • C:最大数据传输率,单位 bps
    • H:带宽,单位 Hz
    • V:信号电平级数

    数据传输率 C 随信号编码级数增加而增加


    Shannel 公式

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    • S:信号功率

    • N:噪声功率

    • 信噪比公式

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    • S/NdB:信噪比

    噪声的存在将使得编码级数不可能无限增加

    例题

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6. 信道复用

为提高线路利用率,经常让多个信号同时共用一条物理线路

  • 时分复用 (TDM,Time Division Multiplexing)
    • 将时间分成等长时间片
    • 时间片轮转收发信号
  • 频分复用(FDM,Frequency Division Multiplexing)
    • 将不同信号调制到不同频率范围
  • 波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)
    • 类似频分复用,这里分的是光波(光纤中的应用),利用不同波长范围的光波传输
  • 码分复用(CDM,Code Division Multiplexing)
    • 用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号

7. 数据交换

交换:动态设定通信双方间的线路,动态接通或断开通信线路

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I. 电路交换

  • 原理:利用可切换的物理通信线路,连接通信双方

  • 步骤:建立电路 -> 传输数据 -> 拆除电路

  • 特点

    • 发数据前,建立点到点的临时、专用的物理通路
    • 物理通路建立时间长,数据传送延迟短

II. 报文交换

  • 原理:信息以报文为单位进行存储转发

  • 特点

    • 线路利用率高
    • 要求中间结点缓冲大
    • 延迟时间长

III. 分组交换

  • 分组:比报文还小的信息段,通常有最大长度限制
  • 信元:大小固定的信息段
  • 原理:信息以分组为单位进行存储转发
    • 源节点:报文 -> 分组
    • 目的结点:分组 -> 报文
  • 特点:
    • 网络结点设备中不预先分配资源
    • 线路利用率高
    • 结点存储器利用率高
    • 易于重传,可靠性高
    • 易于开始新的传输,让紧急信息优先通过
    • 额外信息增加

i. 数据报

  • 每个分组独立路由
  • 适合传送少量分组,省去呼叫建立过程,速度快
  • 可以较好处理拥塞
  • 可靠

ii. 虚电路

  • 所有分组只做一次路由
  • 发送分组前建立虚电路
  • 处理拥塞困难
  • 不可靠

8. 物理层规程

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  • DTC, Data Terminal Equipment
  • DCE, Data Communication Equipment
  • 物理层功能:在两个网络设备之间提供透明的比特流传输
  • 物理层特性
    • 机械特性:定义物理连接的插接装置
    • 电气特性:规定信号电压高低
    • 功能特性:定义线路的功能(数据、控制、定时、地)
    • 规程特性:数据交换的操作序列