计算机网络 第二章 物理层

发布于 2023-06-29  344 次阅读


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这一章的课本真是乱七八糟没啥可看的……我真香了,王道考研书很nice,就看王道吧。笔记的内容都是来自王道书

【考纲内容】

  1. 通信基础

    信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念

    奈奎斯特定理与香农定理;编码与调制

    电路交换、报文交换与分组交换;数据报与虚电路

  2. 传输介质

    双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质;物理层接口的特性

  3. 物理层设备

    中继器;集线器

【复习提示】

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据的比特流,而不是连接计 算机的具体物理设备或具体传输媒体。本章概念较多,易出选择题,且涉及一些通信原理,读者 不太明白的地方可以参考一些相关书籍,通信部分的内容也并非考研重点。复习时应抓住重点, 如奈奎斯特定理和香农定理的应用、编码与调制技术、数据交换方式,以及电路交换、报文交换 与分组交换技术等。

看到这个王道的复习提示……不得不说如果第一遍学计网好好学了的话,这一章应该没有什么难的,很快就复习好了。如果搞不明白的话,看看王道的网课吧。就连教材也没有讲奈奎斯特定理和香农定理是怎么推出来的,可能把傅里叶看了之后能记得更熟,但对理解的帮助有一些,但是这两个公式只要记住就行了。

通信基础

基本概念

数据、信号与码元

数据是指传送信息的实体。信号是指数据的电气或电磁表现,是数据在传输过程中的存在形 式。数据和信号都可用“模拟的"或“数字的”来修饰:①连续变化的数据(或信号)称为模拟数据(或模拟信号);②取值仅允许为有限的几个离散数值的数据(或信号)称为数字数据(或 数字信号)。

数据传输方式可分为串行传输和并行传输。串行传输是指一个一个的比特按照时间顺序传输 (出于经济上的考虑,远距离通信通常釆用串行传输),并行传输是指多个比特通过多条通信信道 同时传输。

码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示一位为进制数字,代表不同离散数值 的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位,这个时长内的信号称为k进制码元,而该时长 称为码元宽度。1码元可以携带多个比特的信息量。例如,在使用二进制编码时,只有两种不同。 的码元:一种代表0状态,另一种代表1状态。

信源、信道与信宿

数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、 信道和信宿三部分。

信源是产生和发送数据的源头。信宿是接收数据的终点,它们通常都是计算机或其他数字终 端装置。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号,而通过信道 传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息,再发送给信宿。

信道与电路并不等同,信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件,一般 用来表示向某个方向传送信息的介质,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信 道。噪声源是信道上的噪声(即对信号的干扰)及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

图2.1所示为一个单向通信系统的模型。实际的通信系统大多为双向的,即往往包含一条发 送信道和一条接收信道,信道可以进行双向通信。

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信道按传输信号形式的不同可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类;信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道。

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,然后送到数字信道上传输(称为基带传输);宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号,然后传送到模拟信道上去传输(称为宽带传输)。

"基带信号"和"宽带信号"都是在通信中用来描述信号特性的术语。

  1. 基带信号:基带信号是指信号的原始形式,也就是未经过调制的信号。基带信号的频率范围从0开始,直到最高频率,这个最高频率取决于信号的信息内容。在数字通信中,基带信号通常指的是数字信号,它在时间域上变化的样子就是我们常见的方波。在模拟通信中,基带信号可以是音频、视频等类型的信号。

  2. 宽带信号:宽带信号通常是通过调制过程,将基带信号的频率范围转移到一个较高的频段,这样就可以在同一个通道上同时传输多个信号,这种技术被称为频分复用(FDM)。"宽带"一词也经常用来描述高数据速率的通信系统,例如宽带互联网连接。

值得注意的是,"基带"和"宽带"并不直接对应低频和高频,而是更多的描述信号的处理和传输方式。

从通信双方信息的交互方式看,可分为三种基本方式:

1) 单工通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道。例如,无线电 广播、电视广播就属于这种类型。

2) 半双工通信。通信的双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收信 息,此时需要两条信道。

3) 全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息,也需要两条信道。 信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。

速率、波特与带宽

速率也称数据率,指的是数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输 速率和信息传输速率表示。

1) 码元传输速率。又称码元速率、波特率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数信号变化的次数),单位是波特(Baud)。1波特表示数 字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的,也可以是二进制的,但码元速率与进制数无关

2) 信息传输速率。又称信息速率、比特率等,它表示单位时间内数字通信系统传输的二进 制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(b/s)

注意:波特和比特是两个不同的概念,码元传输速率也称调制速率、波形速率或符号速率。 但码元传输速率与信息传输速率在数量上却又有一定的关系。若一个码元携带n比特的信息量(笔者注:请回忆比特数和进制数的关系,比如4进制对应2比特,8进制对应3比特), 则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

带宽原指信号具有的频带宽度,单位是赫兹(Hz)。在实际网络中,由于数据率是信道最重 要的指标之一,而带宽与数据率存在数值上的互换关系,因此常用来表示网络的通信线路所能传 输数据的能力。因此,带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。 显然,此时带宽的单位不再是Hz,而是b/s。

奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特定理

奈奎斯特(Nyquist)定理又称奈氏准则,它指出在理想低通(没有噪声、带宽有限)的信道 中,极限码元传输率为2W波特,其中W是理想低通信道的带宽,单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目(码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元,比如有16种不同的码元, 则需要4位二进制位,因此数据传输率是码元传输率的4倍),则极限数据率为
$$
理想低通信道下的极限数据传输率=Wlog_{2}(1+S/N) (单位为b/s)
$$
对于奈氏准则,可以得出以下结论:

1) 在任何信道中,码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限,就会出现严重的 码间串扰问题(指在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限),使得接收端不 可能完全正确识别码元。

2) 信道的频带越宽(即通过的信号高频分量越多),就可用更高的速率进行码元的有效传输。

3) 奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但并未对信息传输速率给出限制,即未对一个码 元可以对应多少个二进制位给出限制。

由于码元的传输速率受奈氏准则的制约,所以要提高数据的传输速率,就必须设法使每个码 元携带更多个比特的信息量,此时就需要采用多元制的调制方法。

香农定理

香农(Shannon)定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率,当用 此速率进行传输时,可以做到不产生误差。香农定理定义为

$$
信道的极限数据传输率=Wlog_{2}(1+S/N) (单位为b/s)
$$

式中,W为信道的带宽,S为信道所传输信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率。S/N 为信噪比,即信号的平均功率与噪声的平均功率之比,信噪比=$10log_{2}(S/N)$(单位为dB),例如 如当S/N= 10时,信噪比为10dB,而当S/N= 1000时,信噪比为30dB。

对于香农定理,可以得出以下结论:

1) 信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率越高。

2) 对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限是确定的。

3) 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就能找到某种方法来实现无差错的传输。

4) 香农定理得出的是极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

从香农定理可以看出,若信道带宽甲或信噪比S/N没有上限(实际信道当然不可能这样), 则信道的极限信息传输速率也没有上限。

奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系,而香农定理不仅考虑到了带宽,也考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明,一个码元对应的二进制位数是有限的。(笔者注:如果题目同时给出了码元和信噪比,需要同时考虑奈氏准则和香农定理,取其中较低者。想想看,即使码元无限大,传输速率仍然会受到信噪比的限制。同样的,及时信噪比极高,也不一定达到理想低通情况下码元能够携带信息量的极限。)

编码与调制

数据无论是数字的还是模拟的,为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号 的过程称为调制,把数据变换为数字信号的过程称为编码。

信号是数据的具体表示形式,它和数据有一定的关系,但又和数据不同。数字数据可以通过 数字发送器转换为数字信号传输,也可以通过调制器转换成模拟信号传输;同样,模拟数据可以 通过PCM编码器转换成数字信号传输,也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样, 就形成了下列4种编码方式。

数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中,即在基本不改变数字数据信号频率的情况下,直接传输数字 信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码。编码的规 则有多种,只要能有效地把1和0区分开即可,常用的编码方式有以下几种,如图2.2所示。

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(1) 归零编码

在归零编码(RZ)中用高电平代表.1、低电平代表0 (或者相反),每个时钟周期的中间均跳 变到低电平(归零),接收方根据该跳变调整本方的时钟基准,这就为传输双方提供了自同步机 制。由于归零需要占用一部分带宽,因此传输效率受到了一定的影响。

(2) 非归零编码

非归零编码(NRZ)与RZ编码的区别是不用归零,一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ 编码无法传递时钟信号,双方难以同步,因此若想传输高速同步数据,则需要都带有时钟线。

(3) 反向非归零编码

反向非归零码(NRZI)与NR2编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻 转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点,既能传输时钟信 号,又能尽量不损失系统带宽。USB 2.0通信的编码方式就是NRZI编码。

(4) 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码(Manchester Encoding)将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为高电 平而后一个间隔为低电平表示码元1;码元0的表示方法则正好相反。当然,也可釆用相反的规 定。该编码的特点是,在每个码元的中间出现电平跳变,位中间的跳变既作为时钟信号(可用于 同步),又作为数据信号,但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。

注意:以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

(5) 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码常用于局域网传输,其规则是:若码元为1,则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同;若码元为0,则情形相反。该编码的特点是,在每个码元的中间 都有一次电平的跳转,可以实现自同步,且抗干扰性较好。

(6)4B/5B 编码

将欲发送数据流的每4位作为一组,然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5 位码共32种组合,但只釆用其中的16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码(帧 的开始和结束、线路的状态信息等)或保留。

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号,而在接收端将模拟信号还原为数字 信号,分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的调制方法有如下几种:

1) 幅移键控(ASK)(笔者注:调频)。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0,而载波的频率和相 位都不改变。比较容易实现,但抗干扰能力差。

2) 频移键控(FSK)(笔者注:调幅)。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0,而载波的振幅和相 位都不改变。容易实现,抗干扰能力强,目前应用较为广泛。

3) 相移键控(PSK)(笔者注:调相)。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0,而载波的振幅和频 率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。

4) 正交振幅调制(QAM)(笔者注:调幅+调相)。在频率相同的前提下,将ASK与PSK结合起来,形成叠加信号。 设波特率为B,采用m个相位,每个相位有n种振幅,则该QAM技术的数据传输率R为
$$
R=Blog_{2}(mn) (单位为 b/s)
$$
图2.3所示是二进制幅移键控、频移键控和相移键控的例子。2ASK中用载波有幅度和无幅 度分别表示数字数据的“1”和“0”; 2FSK中用两种不同的频率分别表示数字数据“1”和“0”; 2PSK中用相位0和相位”分别表示数字数据的“1”和“0”,是一种绝对调相方式。

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图2.3数字调制的三种方式

模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)。它主要包括 三个步骤,即釆样、量化和编码

先来介绍釆样定理:在通信领域,带宽是指信号最高频率与最低频率之差,单位为Hz。因 此,将模拟信号转换成数字信号时,假设原始信号中的最大频率为为那么釆样频率/采样必须大于等于最大频率了的两倍,才能保证釆样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息(只需记住结 论)。另外,釆样定理又称奈奎斯特定理。

1) 釆样是指对模拟信号进行周期性扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根 据釆样定理,当釆样的频率大于等于模拟数据的频带带宽(最高变化频率)的两倍时, 所得的离散信号可以无失真地代表被釆样的模拟数据。

2) 量化是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数,这样 就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。釆样和量化的实质就是分割和转换。

3) 编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性,可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用(FDM) 技术,充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机釆用模拟信号传输模拟数据的编码方式;模拟 的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

在进行数据传输前,两个结点之间必须先建立一条专用(双方独占)的物理通信路径(由通 信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成),该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个 数据传输期间一直被独占,直到通信结束后才被释放。因此,电路交换技术分为三个阶段:连接 建立、数据传输和连接释放。

从通信资源的分配角度来看,“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路 交换的关键点是,在数据传输的过程中,用户始终占用端到端的固定传输带宽。

电路交换技术的优点如下:

1) 通信时延小。由于通信线路为通信双方用户专用,数据直达,因此传输数据的时延非常 小。当传输的数据量较大时,这一优点非常明显。

2) 有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据,不存在失序问题。

3) 没有冲突。不同的通信双方拥有不同的信道,不会出现争用物理信道的问题。

4) 适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号,又适用于传输数字信号。

5) 实时性强。通信双方之间的物理通路一旦建立,双方就可以随时通信。

6) 控制简单。电路交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。

电路交换技术的缺点如下:

1) 建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。

2) 线路独占,使用效率低。电路交换连接建立后,物理通路被通信双方独占,即使通信线 路空闲,也不能供其他用户使用,因而信道利用率低。

3) 灵活性差。只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障,就必须重新拨号建立新 的连接,这对十分紧急和重要的通信是很不利的。

4) 难以规格化。电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互 进行通信,也难以在通信过程中进行差错控制。

注意,电路建立后,除源结点和目的结点外,电路上的任何结点都釆取“直通方式"接收数 据和发送数据,即不会存在存储转发所耗费的时间。

报文交换

数据交换的单位是报文,报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的 是存储转发的传输方式。

报文交换技术的优点如下:

1) 无须建立连接。报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在建立 连接时延,用户可以随时发送报文。

2) 动态分配线路。当发送方把报文交给交换设备时,交换设备先存储整个报文,然后选择 一条合适的空闲线路,将报文发送出去。

3) 提高线路可靠性。如果某条传输路径发生故障,那么可重新选择另一条路径传输数据, 因此提高了传输的可靠性。

4) 提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地 部分占有这条物理通道,因而大大提高了通信线路的利用率。

5) 提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的。 报文交换技术的缺点如下:

1) 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程,因此会引起转发时延(包括接收 报文、检验正确性、排队、发送时间等)。

2) 报文交换对报文的大小没有限制,这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。

注意:报文交换主要使用在早期的电报通信网中,现在较少使用,通常被较先进的分组交换 方式所取代。

分组交换

同报文交换一样,分组交换也釆用存储转发方式,但解决了报文交换中大报文传输的问题。 分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限,把大的数据块划分为合理的小数据块,再加上一 些必要的控制信息(如源地址、目的地址和编号信息等),构成分组(Packet)。网络结点根据控 制信息把分组送到下一结点,下一结点接收到分组后,暂时保存并排队等待传输,然后根据分组 控制信息选择它的下一个结点,直到到达目的结点。

分组交换的优点如下:

1) 无建立时延。不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延, 用户可随时发送分组。

2) 线路利用率高。通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部 分占有这条物理通路,因而大大提高了通信线路的利用率。

3) 简化了存储管理(相对于报文交换)。因为分组的长度固定,相应的缓冲区的大小也固定, 在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理,相对比较容易。

4) 加速传输。分组是逐个传输的,可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并 行,这种流水线方式减少了报文的传输时间。此外,传输一个分组所需的缓冲区比传输一 次报文所需的缓冲区小得多,这样因缓冲区不足而等待发送的概率及时间也必然少得多。

5) 减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短,其出错概率必然减小,所以每次重发的 数据量也就大大减少,这样不仅提高了可靠性,也减少了传输时延。

分组交换的缺点如下:

1)存在传输时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延少,但相对于电路交换仍存在存储 转发时延,而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。

2) 需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息, 从而构成分组,因此使得传送的信息量增大了 5%〜10%, —定程度上降低了通信效率, 增加了处理的时间,使控制复杂,时延增加。

3) 当分组交换采用数据报服务时,可能会出现失序、丢失或重复分组,分组到达目的结点 时,要对分组按编号进行排序等工作,因此很麻烦。若釆用虚电路服务,虽无失序问题, 但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

图2.4给出了三种数据交换方式的比较。要传送的数据量很大且其传送时间远大于呼叫时间 时,釆用电路交换较为合适。端到端的通路由多段链路组成时,釆用分组交换传送数据较为合适。 从提高整个网络的信道利用率上看,报文交换和分组交换优于电路交换,其中分组交换比报文交 换的时延小,尤其适合于计算机之间的突发式数据通信。

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数据报与虚电路

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务,还可进一步分为面向连接的虚电路方式和 无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。

数据报

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时,在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干 带有序号的数据单元,并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组(即网络层PDU)。中 间结点存储分组很短一段时间,找到最佳的路由后,尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同 的路径,也可以按不同的顺序到达目的结点。

我们用图2.5的例子来说明数据报服务的原理。假定主机A要向主机B发送分组。

1) 主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A,交换结点A缓存收到的分组。

2) 然后査找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同,因此转发表的内容可能不完全 相同,所以有的分组转发给交换结点C,有的分组转发给交换结点D。

3) 网络中的其他结点收到分组后,类似地转发分组,直到分组最终到达主机B。

当分组正在某一链路上传送时,分组并不占用网络的其他部分资源。因为采用存储转发技术, 资源是共享的,所以主机A在发送分组时,主机B也可同时向其他主机发送分组。

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通过上面的例子,我们可以总结出数据报服务具有如下特点:

1) 发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组,网络中的结点可随时接收分组。

2) 网络尽最大努力交付,传输不保证可靠性,所以可能丢失;为每个分组独立地选择路由, 转发的路径可能不同,因而分组不一定按序到达目的结点。

3) 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址,以便可以独立传输。

4) 分组在交换结点存储转发时,需要排队等候处理,这会带来一定的时延。通过交换结点 的通信量较大或网络发生拥塞时,这种时延会大大增加,交换结点还可根据情况丟弃部 分分组。

5) 网络具有冗余路径,当某一交换结点或一段链路出现故障时,可相应地更新转发表,寻 找另一条路径转发分组,对故障的适应能力强。

6) 存储转发的延时一般较小,提高了网络的吞吐量。

7) 收发双方不独占某一链路,资源利用率较高。

虚电路

虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来,充分发挥两种方法的优点,以达到 最佳的数据交换效果。在分组发送之前,要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路, 并且连接一旦建立,就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似,整个通信过程分为三 个阶段:虚电路建立、数据传输与虚电路释放。

在虚电路方式中,端系统每次建立虚电路时,选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路, 以区别于本系统中的其他虚电路。在传送数据时,每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制 信息,还要有它要通过的虚电路号,以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个结点 上都维持一张虚电路表,表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息,包括在接收链路和发送链 路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的,上述信息是在虚电路 的建立过程中确定的。

虚电路方式的工作原理如图2.6所示。

1)为进行数据传输,主机A与主机B之间先建立一条逻辑通路,主机A发出一个特殊的 '‘呼叫请求”分组,该分组通过中间结点送往主机B,若主机B同意连接,则发送“呼 叫应答"分组予以确认。

2) 虚电路建立后,主机A就可向主机B发送数据分组。当然,主机B也可在该虚电路上向 主机A发送数据。

3) 传送结束后主机A通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路,逐段断开整个连接。

通过上面的例子,可以总结出虚电路服务具有如下特点:

1) 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销,对交互式应用和小量的短分组情况显得很 浪费,但对长时间、频繁的数据交换效率较高。

2) 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段,连接建立后,就确定了传输路径。

3) 虚电路提供了可靠的通信功能,能保证每个分组正确且有序到达。此外,还可以对两个 数据端点的流量进行控制,当接收方来不及接收数据时,可以通知发送方暂缓发送。

4) 虚电路有一个致命的弱点,即当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时, 所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。

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5)分组首部并不包含目的地址,而包含虚电路标识符,相对数据报方式开销小。

虚电路之所以是“虚”的,是因为这条电路不是专用的,每个结点到其他结点之间的链路可 能同时有若干虚电路通过,也可能同时与多个结点之间建立虚电路。每条虚电路支持特定的两个 端系统之间的数据传输,两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务,这些虚电路的 实际路由可能相同也可能不同。

注意,图2.6所示的数据传输过程是有确认的传输(由高层实现),主机B收到分组后要发 回相应分组的确认。网络中的传输是否有确认与网络层提供的两种服务没有任何关系。

数据报服务和虚电路服务的比较见表2.1。

表2.1数据报服务和虚电路服务的比较

数据报服务 虚电路服务
连接的建立 不需要 必须有
目的地址 每个分组都有完整的目的地址 仅在建立连接阶段使用,之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择 每个分组独立地进行路由选择和转发 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序 不保证分组的有序到达 保证分组的有序到达
可靠性 不保证可靠通信,可靠性由用户主机来保证 可靠性由网络保证
对网络故障的适应性 出故障的结点丢失分组,其他分组路径选择发生变化时可以正常传输 所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制 由用户主机进行流量控制,不保证数据报的可靠性 可由分组交换网负责,也可由用户主机负责

传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

传输介质也称传输媒体,它是发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质可分为导向传 输介质和非导向传输介质。在导向传输介质中,电磁波被导向沿着固体媒介(铜线或光纤)传播, 而非导向传输介质可以是空气、真空或海水等。

双绞线

双绞线是最常用的古老传输介质,它由两根釆用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组 成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰能力,可在双绞线的外面 再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层,这就是屏蔽双绞线(STP)。无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽 双绞线(UTP)。它们的结构如图2.7所示。

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双绞线价格便宜,是最常用的传输介质之一,在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线的 带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。模拟传输和数字传输都可使用双绞线,其通信距离一般为 几千米到数十千米。距离太远时,对于模拟传输,要用放大器放大衰减的信号;对于数字传输, 要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成,如图2.8所示。按特性阻抗 数值的不同,通常将同轴电缆分为两类:50Ω同轴电缆和75Ω。同轴电缆。其中,50Ω同轴电缆主 要用于传送基带数字信号,又称基带同轴电缆,它在局域网中应用广泛;75Ω同轴电缆主要用于 传送宽带信号,又称宽带同轴电缆,主要用于有线电视系统。

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由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有良好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数 据,其传输距离更远,但价格较双绞线贵。

光纤

光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1,无光脉 冲表示0。可见光的频率约为$10^{8}MHz$,因此光纤通信系统的带宽范围极大。

光纤主要由纤心和包层构成(见图2.9),光波通过纤心进行传导,包层较纤心有较低的折射 率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时,其折射角大于入射角。因此,如果入射角 足够大,那么就会出现全反射,即光线碰到包层时会折射回纤心,这个过程不断重复,光也就沿着光纤传输下去。

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多模光纤:只要从纤心中射到纤心表面的光线的入射角大于某个临界角度,就会产生全反射。因此,从 不同角度入射的多束光线可在一条光纤中传输,这种光纤称为多模光纤(见图2.10),多模光纤 的光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,造成失真,因此多模光纤只适合 于近距离传输。

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单模光纤:光纤的直径减小到仅一个光波长度时,光纤就像一根波导那样,可使光线一直向前传播,而 不会产生多次反射,这样的光纤就是单模光纤(见图2.11)。单模光纤的纤心很细,直径只有几 微米,制造成本较高。同时,单模光纤的光源为定向性很好的激光二极管,因此单模光纤的衰减 较小,适合远距离传输。

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无线传输介质

无线通信已广泛应用于移动电话领域,构成蜂窝式无线电话网。随着便携式计算机的出现, 以及在军事、野外等特殊场合下移动通信联网的需要,促进了数字化移动通信的发展,现在无线 局域网产品的应用已非常普遍。

(1) 无线电波

无线电波具有较强的穿透能力,可以传输很长的距离,所以它被广泛应用于通信领域,如无 线手机通信、计算机网络中的无线局域网(WLAN)等。因为无线电波使信号向所有方向散播, 因此有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向,就可与无线电波发射者进行通信连接,大大 简化了通信连接。这也是无线电传输的最重要优点之一。

(2) 微波、红外线和激光

目前高带宽的无线通信主要使用三种技术:微波、红外线和激光。它们都需要发送方和接收 方之间存在一条视线(Line-oEsight)通路,有很强的方向性,都沿直线传播,有时统称这三者为 视线介质。不同的是,红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为各自的信号格式,即红外 光信号和激光信号,再直接在空间中传播。

微波通信的频率较高,频段范围也很宽,载波频率通常为2〜40GHz,因而通信信道的容量 大。例如,一个带宽为2MHz的频段可容纳500条语音线路,若用来传输数字信号,数据率可达 数兆比特/秒。与通常的无线电波不同,微波通信的信号是沿直线传播的,因此在地面的传播距离 有限,超过一定距离后就要用中继站来接力。

卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号,可以克服地面微波通信距离的限制。 三颗相隔120°。的同步卫星几乎能覆盖整个地球表面,因而基本能实现全球通信。卫星通信的优点 是通信容量大、距离远、覆盖广,缺点是端到端传播时延长。

物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不指具体的传输 媒体。物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异,使数据链路层只需考虑本层的协议和服务。物 理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性:

1) 机械特性。主要定义物理连接的边界点,即接插装置。规定物理连接时所釆用的规格、 引线的数目、引脚的数量和排列情况等。

2) 电气特性。规定传输二进制位时,线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离 限制等。

3) 功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义,接口部件的信号线(数 据线、控制线、定时线等)的用途。

4) 规程特性。主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

常用的物理层接口标准有EIARS-232-C、ADSL和SONET/SDH等。

物理层设备

中继器

中继器又称转发器,主要功能是将信号整形并放大再转发出去,以消除信号经过一长段电缆 后,因噪声或其他原因而造成的失真和衰减,使信号的波形和强度达到所需要的要求,进而扩大 网络传输的距离。其原理是信号再生(而非简单地将衰减的信号放大)。中继器有两个端口,数 据从一个端口输入,再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分,而不管数据中是否有 错误数据或不适于网段的数据。

中继器是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单、最廉价的互联设备。使用中继器连接的 几个网段仍然是一个局域网。一般情况下,中继器的两端连接的是相同的媒体,但有的中继器也 可以完成不同媒体的转接工作。但由于中继器工作在物理层,因此它不能连接两个具有不同速率 的局域网。中继器两端的网络部分是网段,而不是子网。中继器若出现故障,对相邻两个网段的 工作都将产生影响。

从理论上讲,中继器的使用数目是无限的,网络因而也可以无限延长。但事实上这不可能, 因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定,中继器只能在此规定范围内进行有效的工 作,否则会引起网络故障。例如,在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中,互相串联的中 继器的个数不能超过4个,而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机, 其余两段只能用作扩展通信范围的链路段,不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。

注意:放大器和中继器都起放大作用,只不过放大器放大的是模拟信号,原理是将衰减的信 号放大,而中继器放大的是数字信号,原理是将衰减的信号整形再生•如果某个网络设备具有存 储转发的功能,那么可以认为它能连接两个不同的协议,如果该网络设备没有存储转发功能,那 么认为它不能连接两个不同的协议。中继器是没有存储转发功能的,因此它不能连接两个速率不 同的网段,中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

集线器

集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器,它也工作在物理层。当Hub工作时,一个 端口接收到数据信号后,由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减,所以Hub便将该信 号进行整形放大,使之再生(恢复)到发送时的状态,紧接着转发到其他所有(除输入端口外) 处于工作状态的端口。如果同时有两个或多个端口输入,那么输岀时会发生冲突,致使这些数 据都无效。从Hub的工作方式可以看出,它在网络中只起信号放大和转发作用,目的是扩大网 络的传输范围,而不具备信号的定向传送能力,即信号传输的方向是固定的,是一个标准的共 享式设备。

Hub主要使用双绞线组建共享网络,是从服务器连接到桌面的最经济方案。在交换式网络中, Hub直接与交换机相连,将交换机端口的数据送到桌面上。使用Hub组网灵活,它把所有结点的 通信集中在以其为中心的结点上,对结点相连的工作站进行集中管理,不让出问题的工作站影响 整个网络的正常运行,并且用户的加入和退出也很自由。

由Hub组成的网络是共享式网络,但逻辑上仍是一个总线网。Hub的每个端口连接的网 络部分是同一个网络的不同网段,同时Hub也只能在半双工状态下工作,网络的吞吐率因而受到限制。

注意:多台计算机必须会发生同时通信的情形,因此集线器不能分割冲突域,所有集线器的 端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息,如果一台集线器连接的 机器数目较多,且多台机器经常需要同时通信,那么将导致信息碰撞,使得集线器的工作效率很 差。比如,一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了 8台计算机,当这8台计算机同时工作时,每 台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s= 1.25Mb/s。