物理层

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

物理层为数据链路层屏蔽了传输媒体的差异

物理层协议的主要内容:

机械特性 : 接口所用接线器的形状和尺寸, 引脚数目和排列, 固定, 锁定装置
电气特性 : 电压范围
功能特性 : 电压表示的意义
过程特性 : 不同功能的各种可能事件的出现顺序

传输媒体:

导引型传输媒体:

双绞线
- 绞合目的(1. 低于部分来自外界的电磁干扰 2.减少相邻导线的电磁干扰)
同轴电缆
光纤
- 多模光纤
  - 光在多模光纤中不断全反射向前传输
  - 由于色散问题，光在多模光纤会产生脉冲展宽的问题
  - 多模光纤只适用于近距离传输（建筑物内）
  - 多模光纤对光源要求不高。可采用便宜的发光二极管作为光源。相应的，可采用光电二极管来检测光脉冲。
- 单模光纤
  - 单模光纤的直径仅一个光波的波长。光在其中一直向前传播而不发生全反射。
  - 单模光纤没有脉冲展宽问题
  - 单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高。
  - 必须使用昂贵的激光发生器作为光源。相应的，需要使用激光检波器来检测光脉冲。

非导引型传输媒体:

微波通信 ( 地面接力传输 (地球同步卫星, 低轨道卫星) )

传输方式

串行传输和并行传输

串行传输比特一个接一个在一根传输线上进行传输 (适合远距离传输, 计算机网络采用这种传输)
并行传输多个比特同时在多个传输线上传输 (不适合远距离, 成本太高, 计算机内部采用这种传输)

同步传输和异步传输

同步传输 比特一个接着一个传输，中间没有间隔，各比特持续时长相等。需要收发双方时钟同步，有两种方法。
- 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
- 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）。
异步传输 以字节为单位进行传输，字节之间的间隔不固定，但每个字节内的比特持续时长是相等的。换句话说，字节间异步，比特间仍是同步的。为此，需要给每个字节添加起始位和结束位。

单工, 半双工以及全双工传输

单工单向通信，例如广播。
半双工 双向交替, 不能同时如对讲机
全双工 双向同时通信如电话

常用术语:

消息: 需要计算机处理的文字, 图片, 音频以及视频等统称为消息

数据: 数据是运送消息的实体, 计算机只能处理二进制数据

信号: 信号是数据的电磁表现 (来自信源的原始电信号称为基带信号)

数字基带信号 例如在计算机内部，CPU与内存之间所传输的信号
模拟基带信号 例如，麦克风采集到声音后所产生的音频信号

编码

数字信号转数字信号如: 曼切斯特编码 4B/5B, 8B/10B 编码

模拟信号转数字信号如: 对音频信号进行编码的脉码调制PCM。

常用编码

不归零制: 正电平代表 1, 负电平代表 0
归零制: 正脉冲代表 1 负脉冲代表 0
曼切斯特编码: 周期中心向上跳代表 0, 周期中心向下跳代表 1
差分曼切斯特编码: 在每一位中心处始终有跳变, 位开始边界有跳变代表 0, 位开始边界没有跳变代表 1

调制

数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输

(例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方式)

模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输

(例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输)

基本调制(二元制)

调幅AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 0 或 1 对应无载波输出和有载波输出
调频FM 载波的频率随基带数字信号 0 或 1 对应频率的f1 或 f2
调相PM 载波的初始相位随基带数字信号 0 或 1 对应相位 0 度或180 度

混合调制(多元制)

如: 将相位与振幅进行混合调制的正交振幅调制QAM。

QAM16可以调制出12种相位，每种相位有1或2个种振幅可选。
可以调制出16种基本波形，每种波形可以对应表示4个比特。

码元

一个码元就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带1bit数据，也有可能携带2bit数据、4bit数据！

那么怎么实现一个脉冲信号就能携带多个bit数据呢？就需要一定的技术了，比如设置模拟信号中信号的频率、相位、振幅

一个码元就是一个脉冲信号

波特率指的就是1秒能发送多少个码元(码元的传输速率)，也就是1秒能发送多少个脉冲信号

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。

信道的极限容量

信号失真的因素

码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量

奈氏准则

W 代表带宽, 单位赫兹

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud = 2W 码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud = W 码元/秒

波特率与比特率

码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定的关系。
当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上时相等的；
当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。

注意:

**实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限值。**这是因为实际信道还会受到其他很多因素干扰（例如噪声干扰、信号衰减、传输媒体质量等）。
要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。
并不是无限制提高每个码元携带的比特数量，就可以无限制地提高信息的传输速率。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。

香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

信道的极限信息传输速率
- C = W x log2 (1 + S/N)
  C：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）W：信道带宽（单位为Hz）S：信道内所传输信号的平均功率 N：信道内的高斯噪声功率
- S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位。信噪比(dB) = 10 x log10(S/N)(dB)
注意
- 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要收到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。
- 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

奈氏准则和香农公式的意义

在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。

数据链路层

链路: 从一个结点到相邻结点的一段物理线路, 中间没有其他交换结点

数据链路: 把实现的通信协议的硬件和软件加到链路上, 就构成了数据链路(以帧为单位传输和处理数据)

重要问题:

封装成帧, 差错检测, 可靠传输

封装成帧

指给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧

帧头帧尾的作用之一是帧定界

MAC 帧不需要帧头帧尾, 物理层会给MAC帧前面添加8字节的前导码, 前七字节为前同步码, 后一字节为帧开始定界符, 以太网规定帧间隔时间为96比特, 所以不需要帧结束定界符

透明传输: 对上层较复的传输数据没有任何限制如果数据中包含了帧定界符等, 会造成接收方的误判, 所以协议会解决这些问题

面向字节的物理链路使用字节填充来实现透明传输
在帧定界符前加转义字符
面向比特的物理链路使用比特填充来实现透明传输
比如在连续 5 个 1 后面插入一个比特 0

为了提高传输效率, 应让数据部分长一些

考虑差错控制等因素, 每一种数据链路层协议都规定了长度上限, 即最大传送单元MTU

差错检测

比特在传输过程中可能产生差错: 1 变 0, 0 变 1 (比特差错)

错误比特 / 传输比特 = 误码率

检测差错用差错检测码

检测方式

奇偶校验 (添加一位奇偶校验位, 让整个数据 1 的个数为奇数(奇校验) ) 如果 1 的奇偶性发生变化则发生误码
CRC 循环冗余校验
- 约定好一个生成多项式G(x)
- 发送方基于待发送的数据和生成多项式计算出差错检测码(冗余码), 将其添加到数据后面
- 接收方通过生成多项式来计算收到的数据是否产生了误码

例:

特别注意除法: 1 表示够除也就是异或下来的位数大于等于3

接收方:

用接收的信息 “除” 以多项式各项系数构成的比特串, 余数为 0 可认为无误码

可靠传输

数据链路层向上层提供的服务类型:

不可靠传输服务: 仅仅丢弃误码的帧
可靠传输服务: 实现发送端发送什么, 接收端就收到什么

一般情况下, 有线链路误码率低, 不要求数据链路层向上提供可靠传输服务, 即便出现了误码, 也由上层处理

无线链路易受干扰, 所以必须要求数据链路层向上层提供可靠传输服务

传输差错: 比特差错, 分组丢失, 分组失序, 分组重复

可靠传输并不局限于数据链路层, 其他层也可以选择实现

停止-等待协议SW

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Uf8306CH-1621906264860)(C:\Users\admin\Desktop\计算机网络图片\SW.png)]

接收端检测到数据分组有误码时，将其丢弃并等待发送方的超时重传。但对于误码率较高的点对点链路，为使发送方尽早重传，也可给发送方发送NAK分组
为了让接收方能够判断所收到的数据分组是否是重复的，需要给数据分组编号。由于停止-等待协议的停等特性，只需1个比特编号就够了，即编号0和1
为了让发送方能够判断所收到的ACK分组是否是重复的，需要给ACK分组编号，所用比特数量与数据分组编号所用比特数量一样。数据链路层一般不会出现ACK分组迟到的情况，因此在数据链路层实现停止-等待协议可以不用给ACK分组编号。
超时计时器设置的重传时间应仔细选择。一般可将重传时间选为略大于“从发送方到接收方的平均往返时间”。
- 在数据链路层点对点的往返时间比较确定，重传时间比较好设定。
- 然而在运输层，由于端到端往返时间非常不确定，设置合适的重传时间有时并不容易。

信道利用率

U = ( 数据发送时间TD ) / ( 数据发送时间TD + RTT + 确认发送时间TA )

一般忽略确认发送时间 TA, 因为 TA 一般远小于 TD

回退N帧协议GBN

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LFYsr5kC-1621906264864)(C:\Users\admin\Desktop\计算机网络图片\GBN.png)]

连续收到好几个按需到达无误码的分组后, 才针对最后一个分组发送确认分组, 这成为累积确认

接收方返回多个重复确认, 发送方收到重复的确认, 就知道出现差错, , 至于收到几个, 由具体实现决定

如果WT 超出范围, 接收方无法分辨新, 旧数据分组

接收方的窗口尺寸为 1

选择重传协议SR

接收窗口初存大于 1

WT 取值 1 < WT < 2^(n - 1)

1 < WR ≤ WT

当接收0 1 号时, 接收窗口向右滑动两个格子, 接收窗口每按序接收一个分组, 就向右滑动一个格子, 此时2号未收到确认分组, 从重传计时器超时, 重新发送

每接收一个分组都要发送一个确认分组

若WR = 1 : 与 GBN 协议相同

若 WR > WT 无意义

点对点协议PPP

点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议。

如何实现透明传输?

如果是字节的异步链路则插入转义字符

如果是面向比特的同步链路则插入比特0

差错检测

CRC 检测(查表法)

不提供可靠传输服务

工作状态

媒体接入控制

基本概念:

静态接入

复用

复用(Multiplexing）是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。
当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。

频分复用FDM
频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信。
时分复用TDM
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
波分复用WDM
码分复用CDM
码分复用CDM是另一种共享信道的方法。实际上，由于该技术主要用于多址接入，人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。
同理，频分复用FDM和时分复用TDM同样可用于多址接入，相应的名词是频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)和时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)。在本课程中，我们不严格区分复用与多址的概念。可简单理解如下:
复用是将单一媒体的频带资源划分成很多子信道，这些子信道之间相互独立，互不干扰。从媒体的整体频带资源上看，每个子信道只占用该媒体频带资源的一部分。
多址（更确切地应该称为多点接入）处理的是动态分配信道给用户。这在用户仅仅暂时性地占用信道的应用中是必须的，而所有的移动通信系统基本上都属于这种情况。相反，在信道永久性地分配给用户的应用中，多址是不需要的(对于无线广播或电视广播站就是这样)。
某种程度上，FDMA、TDMA、CDMA可以分别看成是FDM、TDM、CDM的应用。

与FDM和TDM不同，CDM的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

判断A站发送的什么数据就用A求规格化内积

动态接入

随机接入:

多址接入MA

多台主机连在一条线上

总线局域网使用协议 CSMA/CD (载波监听多址接入/碰撞检测)

争用期

最小帧长

截断二进制指数退避算法

信道利用率

小结:

无线局域网使用协议 CSMA/CA (载波监听多址接入/碰撞避免)

隐蔽站问题: A 和 C 都检测不到对方的无线信号, A 和 C 同时发送帧时发生碰撞但是互相无法检测到碰撞

退避算法

信道预约

虚拟载波监听

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