思维导图
一, 数据通信的理论基础
物理层的作用: 提供透明的比特流传输
封装好的数据以 "0,1" 比特流的形式进行传递, 从一个地方搬运到另一个地方
物理层上的传输, 从不关心比特流里面携带的信息, 只关心比特流的正确搬运
四个特性
机械特性(mechanical characteristics): 指明接口所有接线器的形状, 尺寸, 引脚数和排列等, 如 RJ45
电气特性(electrical characteristics): 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性(functional characteristics): 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
规程特性(procedural characteristics): 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序, 概念类似于协议
物理层上数据的传输: 信号(数据的电气或电磁表现)
分类
模拟信号: 对应时域的信号取值是连续的
数字信号: 对应时域的信号取值是离散的
, 其中有个概念: 码元: 代表不同离散值的基本波形
传输的过程
信号在信道 / 传输介质上的传输
信号在传输过程中, 可以看成由很多不同频率的分量的传输
高频分量的不等量衰减, 接受方收到的信号是衰变和变形 (失真) 的. 从 0~fc 这一频段, 振幅在传输过程中不会明显衰减, fc 称为截止频率, 单位 Hz
物理带宽, 数字带宽和两者的关系
物理带宽
传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围, 单位: Hz
是一种物理特性, 通常取决于介质材料的构成, 厚度, 长度
数字带宽
单位时间内流经的信息总量
物理带宽和数字带宽关系
奈奎斯特定理: 在无噪声信道中, 当物理带宽为 BHz, 信号离散等级为 V 级, 那么该信道能提供的最大传输速率(数字带框), 可用以下公式:
香农定理: 在有噪声信道中, 如果物理带宽为 BHz, 噪声比为 S/N, 那么最大的传输速率
很多情况下, 噪声用分贝 (dB) 表示,
在信道一定的时候, 物理带宽确定, 要想提高最大数据传输率(数字带宽), 只有增加信噪比.
二, 有导向的传输介质
分类
引导性传输介质: 铜线, 光纤
非引导性传输介质: 无线电, 卫星
下面主要分析引导性的传输介质
同轴电缆: 如下图
分类
基带同轴电缆: 50Ω, 用于数字传输, 屏蔽层为铜
宽带同轴电缆: 75Ω, 用于模拟传输, 屏蔽层为铝
分类二
粗缆 最大传输距离为 500 米
细缆 最大传输距离为 185 米
双绞线(Twist Pair Cable)
由两根具有绝缘层的铜导线, 按一定密度, 逆时针绞合而成
消除: 近端串扰(Crosstalk)
绞距(扭矩): 绞距越小(紧), 越均匀. 则抵消效果越好, 传输性能越好.
1. 非屏蔽双绞线(UTP : Unshielded Twisted Pair)
五类双绞线, 提供 10M,100M 的数字带宽, 使用其中的两对线, 分别用于收和发. 100M 的以太网中, 用到了全部的四对线
最大传输距离 100 米, 广泛用于局域网中
优点: 成本低, 易于安装, 尺寸小; 缺点: 易受干扰, 传输性能和距离易受绞距的影响
2. 屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)
相比于 UTP,STP 加了两层屏蔽层, 分别位于每对线之外和全部四对线之外
优点: 抗 EMI/RFI 干扰 缺点: 成本高, 安装不易
3. 网屏式双绞线(ScTP: Screened Twisted Pair)
在成本和抗干扰之间做了折中
把 STP 每一个线对上的屏蔽层去掉了
使用注意事项
直通线
连接交换机和 PC 这种不是同等类型的设备, 线两头线序一致
交叉线
线序不一致, 连接同类设备
现在, 设备已经大多可以自适应
电力线
缺点: 与传输介质目的和电气特性截然不同, 50Hz, 目前不普及.
光纤(光导纤维)
极细的玻璃纤维构成, 把光封闭在其中并沿轴向进行传播
由里到外为: 玻璃芯, 玻璃覆盖层, 塑料封套
工作原理: 全反射 -- 当光从光密物质射向光疏物质, 入射角大于临界角, 光会发生全反射.
优点: 重量轻, 损耗低, 不受电磁辐射干扰, 传输频带宽, 通信容量大, 不射频干扰, 防窃听
缺点: 易断裂, 昂贵
分类
单模
单一模式传输, 激光产生的单束光.
纤芯细, 高带宽, 长距离.
运行波长 850nm 或 1300nm
多模
多个模式传输, LED 产生的多束光
光纤, UTP 特点:
干线上大量使用光纤(垂直电缆), 用户桌面的线缆大量使用 UTP(水平电缆)
三, 复用技术
干线上技术, 让多个用户共享同一根信道
解决问题: 干线起点如何共用, 干线终点如何分离
1. 频分多路复用技术 FDM
原理:
在干线的起点, 信道的频谱被分成若干段(子段), 每个用户占据一段来传输自己的信号
在干线的终点, 每个子带的信号被单独分离出来给各个用户
相邻用户使用的频段 (子带) 之间通常留有一定的带宽, 以免混淆, 这个频段被称作保护带
正交 FDM:Orthogonal FDM(简称 OFDM)
一种更好的利用带宽的 FDM, 正交频分多路复用.
没有了保护带, 且子带之间相互重叠, 可承载更多用户
波分多路复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)
本质上跟 FDM 一样, 在光纤上复用信号
按照不同波长, 干线分为了若干份
终点, 分离器分离出不同波长的光信号
另外, 当相邻波长间隔非常接近, 子信道的数目非常大, WDM 变成了 DWDM(Dense, 密集波分多路复用)
2. 时分多路复用 TDM(Time Division Multiplexing)
在时间上共享信道
将时间划分为非常短的时间片
广泛用于电话系统和蜂窝系统
要求: 时间上必须同步, 为适应时钟的微小变化, 可能要求增加保护时间间隔
各用户需要的带宽不均衡, 而 TDM 用户时间片的使用却是一样的, 将造成信道的浪费
解决办法: 统计时分多路复用(TDMStatistic TDM )STDM
3. 码分多路复用技术 CDMA(Code Division Multiple Access)
扩展频谱技术, 广泛用于 3G
允许每个站利用整个频段发送信号, 而且没有任何时间限制
关键在于: 提取出需要的信号, 同时拒绝所有其他的信号, 并且把这些信号当成噪声
CDMA 中, 每个比特时间被细分为 m 个更短的时间间隔, 这更短的时间间隔被称为码片, 通常每个比特被划分为 64 个或 128 个.
运用码片序列的两两正交, 能够同时传输信息. 接受方利用复用信号和发方码片序列的归一化内积, 可以计算出发方的信息.
四, 调制机制 -- 使用信号来传输比特
传输方式
基带传输(Baseband Transmission)
信号的传输占据传输介质, 从零到最大值之间的全部频率.(有线传输技术, 普遍采用的方法 -- 以太网)
通带传输(Passband Transmission)
调节信号的振幅, 相位或频率来传输比特
占据了以载波信号频率为中心的一段频带
基带传输的线路编码
不归零 NRZ: 高电平为 "1", 低电平为 "0"
不归零逆转 NRZ1: 跳变为 "1", 不跳变为 "0",USB 采用
曼切斯特编码: 在比特时间中间, 电压从高到低为 "1". 反之, 从低到高, 表示 "0". 只有 50% 效率
双极编码(交换标记逆转 AMI): 两极电压的交替出现, 表示 "1", 不出现则表示 "0". 实现了信号的平衡
4B/5B 编码: 4 个比特数据被映射成 1 个比特模式, 80% 效率. 抛开连续 0 的组合, 解决连续零的问题
码元
承载信息量的基本信号单位
数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字.(二进制码元)
使用时间域的波形表示数字信号时, 不同离散值的基本波形, 叫做码元
一秒钟能发送的码元的个数, 叫波特率, 也叫做码率(每秒钟信号变化的次数)
波特率别名: 符号率, 采样率, 每秒钟变化的次数
比特率别名: 位传输率, 数据传输速率, 数字带宽
计算公式(C: 比特率, B: 波特率, n: 信号呈现的个数, 为 2 的整数倍, 信号级别)
为了降低高速调制的错误, 在每个样本中采用一些额外的位用作纠错. 剩下的位才用来传输数据
可用信号星座图, 来表示调制的级别
五, 公共交换电路网络 PSTN(Public Switched Telephone Network)
解决问题: 最后一英里问题
过程:
呼叫方的话音经过本地回路(Local loops), 到达端局
端局经过干线 (Trunks, 一般为数字光纤) 到达上级交换局(Switching Office), 然后最终到达对方的端局
本地回路传输的是模拟信号, 搭载调制解调器(也叫 Modem, 猫), 完成数字信号向模拟信号的转变
光纤到户(Fiber To The Home): 无源, 可靠性, 安全性 --"光进铜退"
干线: 多路复用, 完成交换局 (包括端局) 的连接. 搭载了编解码器(codec), 将模拟信号数字化
编解码器采用了: 脉冲编码调制 PCM(Pulse Code Modulation), 构成了现代 PSTN 的核心
目前采用的两种标准
SONET/SDH(Synchronous Optical NETwork): 同步光网络, 美国 ANSIS 制定的, 在光介质上进行同步数据传输的标准
SDH(Synchronous digital hierarchy): 同步数字序列, 国际标准化组织 ITU 制定的, 在光介质上进行同步数据传输的
两者几乎一样
PSTN 交换
电路交换(Circuit Switching)
传统电话系统, 建立端对端通路, 数据沿着通道按顺序到达
包 / 分组交换(Packet Switching)
IP 电话数据业务, 限制包 / 分组大小, 允许包 / 分组存储在交换局的内存里
每个包携带目的地址, 信息 -- 独立寻址, 乱序送达. 容错能力好, 流量收费
六, 物理层部件 / 设备
转发器
中继器
集线器
RJ45 插座
收发器(Transceiver = Transmitter + Receiver)
也称为 MAU,Media Attachment Unit
将一种形式的信号转变为另一种信号
早期是一个外设, 现在是网卡上的部件
主要负责收发信号
中继器(Reapter)
主要功能: 再生信号(去噪, 放大), 让线缆延伸到更远, 突破 UTP100 米的传输距离的限制
注意: 中继器不能过滤流量
过滤: 是指设备以一定的特性来屏蔽网络流量, 并根据标准确定将流量转发或丢弃
集线器(Hub)-- 多端口的中继器
主要功能: 再生信号, 即去噪和放大
广播(泛洪): 从除了来的那个端口外的所有其他端口转发出去
冲突 -- 信号的碰撞
当使用物理设备时, 更多的用户争抢共享资源, 导致冲突
冲突域
数据包产生和冲突的网络区域, 即指共享介质的区域
冲突域增大, 冲突可能性增大, 网络性能降低
总结
不具有过滤流量等智能化功能
增大了冲突域
很少再使用中继器 (光中继器除外) 和集线器
来源: http://www.bubuko.com/infodetail-3003908.html