物理层-对比

数据

• 离散数据x∈{0,1}

• 连续数据：x∈[0,1]

  信号

• 离散信号

• 连续信号

信道

• 信号某一方向的传输媒介，具有方向性（不可变）。
• 通常一条通信线路有两条信道（双向）。（信道不等于通信电路）
• 单工（一条），半双工/全双工（两条）（区别：能否同时发送和接收）

两个速率

• 码元传输速率（波特率）：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数，信号变化次数）。（Baud）
• 信息传输速率（比特率）：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特率）。
• 关系：若一个码元表示k进制数（k种形态），则有：信息传输速率=码元传输速率×$\log_2(k)$（信息传输速率>=码元传输速率）。

带宽

• 在计算机网络中：数据传输率的最高上限值，单位bps、bit/s。
• 在通信领域中：通信线路最高承受的信号频率与最低承受信号的频率的差值，单位Hz。

两个定理

• 奈斯定理（通信层面）：
  • 内容：在理想低通（无噪声，带宽有限）的信道中，极限码元的传输速率为2W（Baud），其中W为通信领域的信道带宽，单位Hz。
  • 作用：给出了码元传输速率的限制。
  • 结论：
    • 在任何信道上，码元的传输速率是有上限的，若超过此上限会出现码间串扰（码元之间的界限模糊不清）。
    • 信道的频带越宽，就可以用更高的速率对码元进行有效传输。
• 香农定理（信息层面）：
  • 内容：在高斯白噪声干扰的信道中，极限数据传输速率为$W\log(1+\frac{S}{N})$，单位为bps，S/N为信噪比，若用dB表示则需通过$dB=10\lg(\frac{S}{N})$来转换。
  • 作用：
    • 给出了数据传输速率的限制（实际传输速率可能低不少）。
  • 结论：
    • 信道的带宽越宽，信噪比越大，则信息的传输速率越高。
    • 只要信息的传输速率低于极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。（意思是在物理层面上不会因传输速率过快而导致信号失真）
• 结合奈斯定理和香浓定理，可知：单个码元的所携带的二进制信息量是有限的。
• 题型：
  • 若已知码元和比特的关系（一个码元有几种状态），次数可以通过奈斯定理去计算，最终结果受到两个公式的限制，即V=min{奈斯,香农}。
  • 在脉码调制PCM中的采样频率即最终频率f，也就是说数据传输率为f×$\log_2n$,而无需进行2f处理（采样定理）。

编码与调制

编码

• 数据->数字信号
  • 数字数据->数字信号：
    • 曼彻斯特：每一个码元中间都有跳变，1下降沿，0上升沿。（可做时钟同步）
      • 曼彻斯特关心一个码元内的跳变。
    • 差分曼彻斯特：每一个码元中间都有跳变，1起始不跳，0起始跳。（可做时钟同步）
      • 差分曼彻斯特关心码元间的跳变。
      • 第一个是0的从低到高，第一个是1的从高到低，后面的就看有没有跳变来决定了。
    • （差分）曼彻斯特每个比特需要两个信号周期（与不归零相比），编码效率为50%。
    • 4B/5B：
      • 数据流4位一组转5位（为了保证有足够多的跳变，提取时钟信息），冗余码做控制或保留。
    • 
  • 模拟信号->数字信号：常用于对音频信号编码的调制（脉码调制PCM）
    • 采样：将时间上连续的模拟信号离散化。（根据奈斯定理2W原则有：采样频率必须>=数字信号最大频率×2）
    • 量化：将离散的模拟信号标准化为数字值。
    • 编码：将量化的结果转化为二进制编码。

调制

• 数据->模拟信号
  • 数字数据->模拟信号：
    • 幅移键控（ASK）：以振幅的大小（有无）来表示1,0。
    • 频移键控（FSK）：以频率大小来表示1,0。
    • 相移键控（PSK）：以相位的正负来表示1,0。
    • 正交振幅调制（QSK）：ASK+PSK
    • 
  • 模拟数据->模拟信号：
    • 为了实现传输的有效性同分利用带宽资源。

三种交换

• 电路交换

  • 概念：
    • 数据传输前，两节点间必须建立一条专用的物理通信路径（交换设备和链路逐段连接而成），整条线路的资源在传输期间一直被独占，直到通信结束后释放。
    • 电路建立后是直连式：电路上任何节点直通式转发数据，无存储转发时延。
  • 单位：
    • 比特流
  • 优点：
    • 通信时延小
    • 有序传输
    • 无冲突
    • 即可传输数字信号，又可传输模拟信号
    • 实时性强
    • 控制简单
  • 缺点：
    • 建立连接时间长
    • 线路独占，使用效率低
    • 灵活性差，通信线路任何一点出现故障都需要重新建立连接
  • 差错：
    • 无差错检测

• 报文交换

  • 概念：
    • 将整个报文一段链路一段链路地转发，可自由选择路由路径。
  • 单位：
    • 报文（源地址、目的地址、……）
  • 优点：
    • 无需建立链接（存储转发）
    • 动态分配电路
    • 提高线路可靠性：中间节点出现故障可另选择路由
    • 提高线路利用率：通信双方不独占线路
    • 提供多目标服务：可同时发往多个目的地址
  • 缺点：
    • 报文在传输途中，中间节点存储转发造成时延（包括检查正确性）
    • 不可传输模拟信号
    • 对报文无限制，需要网络节点有较大缓存
  • 差错：
    • 可通过报文尾部FCS进行差错（位错）检测（在交换节点中）。

• 分组交换

  • 概念：
    • 将整个报文拆分（添加控制信息）成合理大小地分组，各分组独立选择路由路径，与报文一样一段链路一段链路地转发
    • 以太网采用分组交换
    • 两种方式（网络层）：数据报方式（不可靠）、虚电路方式。
  • 单位：
    • 分组
  • 优点：
    • 无需建立链接（存储转发）
    • 动态分配电路
    • 提高线路可靠性：中间节点出现故障可另选择路由
    • 提高线路利用率：通信双方不独占线路
    • 提供多目标服务：可同时发往多个目的地址
  • 缺点：
    • 报文在传输途中，中间节点存储转发造成时延（包括检查正确性）
    • 不可传输模拟信号
    • 需要传输额外的信息量（各分组地控制信息）
    • 可能出现失序、丢失、重复地分组（因为各分组独立自主选择路由路径）
  • 差错：
    • 可通过分组尾部FCS进行差错（位错）检测（在交换节点中）。

• 区别：

  • 
  • 报文交换：
    • 每个报文在发送时会产生一次时延
    • 经过路由器存储转发会发生另一次时延
  • 分组交换：
    • 每个分组发送时会产生一次时延
    • 路由器接收到第一个分组后直接开始转发，产生一次时延，除了第一个分组，其余分组经过路由器转发不会产生额外的时延（因为多个分组可以并行地被不同路由器转发）。
• 选择:
  • 传输的信息量大，传输时间远大于呼叫时间：电路交换
  • 端到端由很多链路组成：分组交换
  • 转发时延：分组交换<=报文交换
  • 网络信道利用率：分组交换、报文交换<=电路交换
  • 数据传输率：电路交换>报文交换>分组交换
• 备注：
  • 在四种交换：电路交换、报文交换、（网络层）分组交换（数据报服务、虚电路服务）中，只有虚电路服务能够提供可靠传输，报文交换未知。
  • 电路交换：整个信号连续不断地直通式传送，不存在帧错（失序、丢失、重复）的问题，但是没有对位错的校验。
  • 报文交换：只有一个传输单位（报文），不存在帧失序的问题，但是报文有没有FCS检测位错呢？待定不知道看可不可靠。
  • 数据报服务（面向无连接）：可通过帧尾的FSC进行位错校验，但无法保证不帧错。
  • 虚电路服务（面向连接）：可通过帧尾的FSC进行位错校验，由于建立了一条逻辑上的专用通信电路，故能保证不帧错。
    • 面向链接，逻辑相连，AB可同时向对方发送数据，分组首部不包含目的地址，包含虚电路标识符，每个阶段可以链接多条虚电路。
  • 可靠传输=不位错+不帧错
  • 一般由于数据链路层总是能够通过FSC来保证不位错，故我们通常所说的可靠传输通过 超时 + 重传（保证不帧错）机制来实现即可。