計算機網絡(四)：計算機網絡之實體層

計算機網絡之實體層

實體層基本概念

實體層目的：實體層是解決如何在連接配接計算機的傳輸媒體上傳輸資料比特流

實體層任務：确定與傳輸媒體接口(定義标準)，如：插頭的樣式、電壓的範圍等

實體層的标準可以總結為以下四種特性：

• 機械特性：定義實體連接配接的特性，規定實體連接配接時所采用的規格、接口形狀、引線數目、引腳數量和排列情況
• 電氣特性：規定傳輸二進制位時，線路上信号的電壓範圍、阻抗比對、傳輸速率和距離限制
• 功能特性：指明某條線上出現某一電平表示何種意義，接口部件的信号線用途
• 規程特性：定義各條實體線路的工作規程和時序關系

資料通信過程

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通過上圖，我們不難發現，計算機發出的數字信号(脈沖信号)不能直接發送到對方計算機，需要經過數據機(貓)将數字信号轉化為模拟信号發送進入公用電話網，然後選址查詢，再由數據機反向解調為數字信号傳入對方計算機

資料通信相關術語

資料：傳送消息的實體，通常是有意義的符号序列

通信：傳輸消息

信号：資料的電器或電磁的表現，是資料在傳輸過程的存在形式

• 數字信号：消息的參數是離散的(鋸齒波)
• 模拟信号：消息的參數是連續的(正餘弦函數)

信源：産生和發送資料的源頭

信宿：接收資料的目的地

信道：信号傳輸的媒介，一般用來表示向某個方向傳輸資訊的媒體，是以一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道

• 按照傳輸信号可分為
  • 模拟信道(傳輸模拟信号)
  • 數字信道(傳輸數字信号)

• 按照傳輸媒體分為
  • 無線信道
  • 有線信道

三種通信方式

1.單工通信：隻有一個方向的通信而沒有反方向的互動，僅需要一條信道(BB機)

2.半雙工通信：通信的雙方都可以發送或接收消息，但任何一方都不能同時發送或接收，需要兩條信道(對講機)

3.雙工通信：通信的雙方可以同時發送和接收資訊，需要兩條信道(電話)

兩種資料傳輸方式

傳輸方式分為：

• 串行傳輸：速度慢、費用低、适合遠距離傳輸(傳真機)
• 并行傳輸：速度快、費用高、适合近距離傳輸(列印機、掃描器)

碼元

碼元是指用一個固定時長的信号波形(數字脈沖)，代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信号的計量機關，這個時長内的信号稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元長度，當碼元的離散狀态有M個時(M大于2)，此時碼元為M進制碼元

1碼元可以攜帶多個比特的信号量，例：在二進制碼元中，隻有1或0兩種狀态，在一個碼元中就隻攜帶1或0，是以一個碼元就攜帶一個比特信号量

碼元攜帶多少比特信号量計算公式：

$$

一個碼元攜帶比特信号量 = \log_2 進制數

速率、波特、帶寬

速率

：是指資料的傳輸速率，表示機關時間内傳輸的資料量，可以用碼元傳輸速率和資訊傳輸速率表示

此處注意：傳輸速率與傳播速率不同，傳輸速率是指資料從主機端傳輸到鍊路上的速度，傳播速率是指資料在鍊路上傳播的速率，一般受媒體影響，大緻接近電磁波的速率

碼元傳輸速率(波特率)

：表示機關時間内數字通信系統所傳輸的碼元個數(也可稱為脈沖個數或信号變換次數)，機關是波特(Baud)，1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元，這裡的碼元可以是多進制的，也可以是二進制的，但碼元速率與進制數無關

資訊傳輸速率(比特率)

：表示機關時間内數字通信系統傳輸的二進制碼元個數(即比特數)，機關是比特/秒(b/s)

碼元傳輸速率與資訊傳輸速率關系

：資訊傳遞速率 = 碼元傳輸速率 * 每碼元攜帶的信号量

帶寬

：計算機網絡中，帶寬用來表示通信線路傳送資料的能力，通常是指機關時間内從網絡的某一點到另一點所能通過的"最高資料率"，機關是b/s

例題：

失真與碼間串擾

失真：指信号在傳輸過程中與原有信号所發生的偏差

影響失真程度的因素：1.

碼元的傳輸速率

2.

信号的傳輸距離

3.

噪聲幹擾

4.

傳輸媒體品質

信号帶寬：是信道能通過的最高頻率和最低頻率之差

碼間串擾：接收端收到的信号波形失去了碼元之間清晰界限的現象，計算機網絡之中，碼間串擾的現象可以形象的表達為，信号的頻率太高或太低，進而使得碼元之間的界限開始模糊了

奈氏準則與香農定理

奈氏準則(奈奎斯特定理)

奈氏準則：在理想低通(無噪聲，帶寬受限)條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，機關是Hz(隻有在奈氏準則和香農定理中信道帶寬的機關會用Hz)

理想低通信道下的極限資訊傳輸率=2W\log_2 進制數

由奈氏準則可知：

• 在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的完全正确識别成為不可能
• 信道的頻帶越寬（即能通過的信号高頻分量越多），就可以用更高的速度進行碼元的有效傳輸
• 奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對資訊傳輸速率給出限制
• 由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，是以要提高資料的傳輸速率，就必須使得每個碼元能寫到更多比特的資訊量，這就需要采用多元制的調制方法

香農定理

香農定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不産生誤差，資訊的資料傳輸速率有上限值

噪聲存在于所有的電子裝置和通信信道中，由于噪聲随機産生，它的瞬時值有時會很大，是以噪聲會使接收端對碼元的判決産生錯誤，但噪聲的影響又是相對的，若信号較強，那麼噪聲影響會相對較小，是以，信噪比就很重要

信噪比：信号的平均功率/噪聲的平均功率，常記為S/B，并用分貝（dB）作為度量機關

信噪比(dB) = 10\lg (S/N)

信道下的極限資訊傳輸率=W\log_2 (1 + S/N)

由香農定理可知：

• 信道的帶寬或信道中信噪比越大，則資訊的極限傳遞速率就越高
• 對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，資訊傳輸速率的上限就确定了
• 隻要資訊的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法實作無差錯的傳輸
• 香農定理得出的為極限資訊傳輸速率，實際信道的傳輸速率遠遠低于它

香農與奈氏的對比

基帶信号與寬帶信号

信道有兩種分類手段，可按照傳輸信号分為模拟信道和數字信道，按照傳輸媒體則可以分為無線信道和有線信道

信道上傳送的信号可分為基帶信号和寬帶信号

• 基帶信号：将數字信号1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數字信道上傳輸(基帶傳輸)來自信源的信号，像計算機輸出的代表各種文字或圖像檔案的資料信号都屬于基帶信号，基帶信号就是發出的直接表達了要傳輸的資訊的信号，比如我們說話的聲波就是基帶信号。
• 寬帶信号：将寬帶信号進行調制後形成的頻分複用模拟信号，再傳輸到模拟信道上傳輸(寬帶傳輸)，在基帶信号經過載波調制後，把信号的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即僅在一段頻率範圍内能通過信道)

在傳輸距離較近時，計算機網絡采用基帶傳輸方式(近距離衰減較小，進而信号内容不易發生改變)

在傳輸距離較遠時，計算機網絡采用寬帶傳輸方式(即使信号變化大也能最後過濾出來基帶信号)

編碼與調制

資料可以通過編碼手段轉成數字信号，也可以通過調制手段将資料轉為模拟信号

舉例：

數字資料可以通過數字發送器轉化為數字信号(編碼)，也可以通過調制器轉化為模拟信号(調制)

模拟資料可以通過PCM編碼器轉化為數字信号(編碼)，也可以通過放大器調制器轉化為模拟信号(調制)

數字資料編碼為數字信号

非歸零編碼(高電平1低電平0)

特點：編碼容易實作，但沒有檢錯功能，且無法判斷一個碼元的開始和結束，以至于收發雙方難以保持同步

歸零編碼

特點：信号電平在一個碼元之内都要恢複到零的編碼方式(相對而言這種編碼信道的使用率不高)

反向不歸零編碼

特點：信号電平反轉表示0，信号電平不變表示1(對于全1資料，可能無法分辨發了多少個1)

曼徹斯特編碼

特點：曼徹斯特編碼将一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為低電平後一個間隔為高電平表示碼元1，碼元0則正好相反！也可以采用相反的規定，該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳變，位中間的跳變既作時鐘信号(可用于同步)，又可作資料信号，但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍，每一個碼元都被調成兩個電平，是以資料傳輸速率隻有調制速率的1/2

差分曼徹斯特編碼

特點：常用于區域網路傳輸，其規則為，若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的後半個碼元的電平相同，若為0，則相反！該編碼的特點是，在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉，可以實作自同步，且抗幹擾性強于曼徹斯特編碼。

4B/5B編碼

4B/5B編碼比特流中插入額外的比特以打破連串的0或1，就是用5個比特來編碼4個比特的資料，之後再傳給接收方是以稱為4B/5B，編碼效率為80%，隻采用16種對應16種不同的4位碼，其他的16種作為控制碼(幀的開始和結束，線路的狀态資訊等)或保留

數字資料調制為模拟信号

數字資料調制技術在發送端将數字信号轉換為模拟信号，而在接收端将模拟信号還原為數字信号，分别對應于數據機的調制過程和解調過程調幅，調頻調相原理執行個體見上圖

模拟資料編碼為數字信号

計算機内部處理的是二進制資料，處理的都是數字音頻，是以需要将模拟音頻通過采樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列(即實作音頻數字化)

最典型的例子就是對音頻信号進行編碼的脈碼調制(PCM)，在計算機應用中，能夠達到最高保真水準的就是PCM編碼，被廣泛用于素材儲存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WA檔案中均有應用！它主要包括三步：抽樣、量化、編碼

1.抽樣：對模拟信号周期性掃描，把時間上連續的信号變成時間上離散的信号為了使所得的離散信号能無失真地代表被抽樣的模拟資料，要使用采樣定理進行采樣：f采樣頻率 ≥ 2信号最高頻率

2.量化：把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級标度轉化為對應的數字值，并取整數，這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量

3.編碼：把量化的結果轉換為與之對應的二進制編碼

模拟資料調制為模拟信号