第一部分 物理层

分组交换与电路交换*

电路交换

每一部电话都连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户之间通信：

1. 当用户接通电话后，从主叫端到被叫端建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。
2. 这条连接保证了双方通话所需的通信资源，在通信时不会被其他用户占用。
3. 通话完毕后，交换机释放这条专用的物理通路。

这种必须经过“建立连接$\to$通话$\to$释放连接三个步骤的交换方式称为电路交换。

电路交换是面向连接的。

采用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率低下，因为计算机数据时突发式地出现在传输线路上的。

分组交换

其原理（存储转发）是：

1. 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段；
2. 每个数据段前面添加上首部构成分组；
3. 分组交换网以“分组”作为数据传输单元依次把各分组发送到接收端；
4. 接收端收到分组后剥去首部还原成报文；
5. 最后在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

分组交换的特征是基于标记的。这是一种无连接的方式。

分组交换的优点：高效、灵活、迅速、可靠。

分组交换的缺点：存储转发造成时延，携带首部造成开销。

横向比较

交换	是否分组	是否存储	数据特征
电路交换	否	否	连续传送大量数据
报文交换	否	是	传输间断性的少量数据
分组交换	是	是	传输突发性、间断性的数据

时延*

时延是指一个报文或一个分组从一个网络的一端传到另一端所需的时间。由几个不同的部分组成：发送时延、传播时延、处理时延。

发送时延：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间$$发送时延=\frac{数据块长度(比特)}{传输速率(比特/秒)}$$

传播时延：电磁波（光波）在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。注意传输速率和传播速率不是一个概念。$$传播时延=\frac{信道(米)}{信号在信道上的传播速率(米/秒)}$$

处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。处理时延的长短取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。

排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。

对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。

$$总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延$$
$$时延带宽积=传播时延\times 带宽$$

往返时延RTT：表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认总共经历的时延。

物理层的基本概念

物理层的作用：尽可能屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异；

物理层的任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性（机械特性、电气特性、功能特性、过程特性）；完成传输方式的转换（计算机内部并行传输、传输媒体上串行传输）。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

数据通信系统分为三大部分：源系统（源点、发送器/调制器、接收器/解调器、终点）、传输系统、目的系统。

信号可分为两类：

1. 模拟信号/连续信号：用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上；
2. 数字信号/离散信号：计算机到到调制解调器之间或电话网中继线上。

不同离散数值的基本波形称为码元。

有关信道的几个基本概念

信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信线路包含一条发送信道和一条接收信道。

根据双方信息交互的方式，通信分为三种：

1. 单向通信/单工通信；
2. 双向交替通信/半双工通信；
3. 双向同时通信/全双工通信。

来自信源的信号称为基带信号，其中包含较多的低频分量，甚至有直流分量，然而信道不能直接传输，因此需要进行调制：

1. 基带调制/编码：仅仅对信号的波形进行变换，变换后仍然是基带信号；
2. 带通调制：把基带信号的频率范围转移到较高的频段，并转换为模拟信号。

基本的带通调制方法有：调幅、调频、调相。

常用编码方式*

曼彻斯特编码：对于码元1（下跳），中心前半部分为高电平，中心后半部分为低电平。对于码元0（上跳），则相反。

问题：在数字通信中，如果接收端不知道发送端的发送速率就只能通过码元宽度来确定。但是，基带信号是做不到这一点的。比如说，不知道传过来的11是一个码元还是两个码元。

差分曼彻斯特编码：对于码元1，中心前半部分延续边界的电平，后半部分跳变。对于码元0，中心前半部分和后半部分都需要进行跳变。

信道的极限容量*

波形失真的原因：

1. 码元传输速率高；
2. 信号传输距离远；
3. 噪声干扰大；
4. 传输媒体质量差。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：

信道能够通过的频率范围

信号中的高频分量在传输时受到衰减，使得波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。

奈氏准则：给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

在带宽为$W(Hz)$的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是$2W(码元/秒)$。传输速率超过此上限就会出现严重的码间串扰的问题，使得接收端对码元的判决成为不可能。

说明：

1. 实际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上限数值。
2. 码元和比特是两个不同概念，但是两者的传输速率有一定关系。

信噪比

噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为$S/N$。

大家通常使用分贝作为度量单位，即$$信噪比(dB)=10{\log }_{10}(S/N)(dB)$$

香农公式指出，信道的极限信息传输速率C为$$C=W{\log }_2(1+S/N)(b/s)$$

说明：

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就越高；
2. 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错传输；
3. 实际上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少；

奈氏准则和香农公式的联合作用

物理层下的传输媒体

传输媒体指的是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

导引型传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播；非导引型传输媒体指的是自由空间，电磁波传输为无线传输。

导引型传输媒体

（1）双绞线：将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来。

增加绞合度以及增加电磁屏蔽的方法可以提高双绞线抗电磁干扰能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的串扰。

（2）同轴电缆。

（3）光缆

当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折回纤芯。这个过程不断重复，光也沿着光纤传输下去。

非导引型传输媒体

1. 无线传输所使用的频段很广；
2. 短波通信主要是靠电离层的发射，但短波信道的通信质量很差；
3. 微波在空间主要是直线传播：地面微波接力通信；卫星通信。

信道复用技术*

复用的作用：多个用户的数据集中在一条主干线上传输且互不干扰。

频分复用FDM和时分复用TDM

所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。早期的手机就是采用频分复用技术。

所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。GSM手机用的是时分复用技术。

FDM、TDM说明是在频域还是在时域纪念下复用，并不强调复用的信道是用于多个用户还是一个用户。

FDMA（频分多址接入）、TDMA（时分多址接入）强调这种复用信道可以让多个用户接入进来。

PCM体制

PCM脉码调制可以将模拟信号转化为数字信号。

目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

早期的数字传输系统存在许多缺点：

1. 速率标准不统一；多路复用的速率体系有两个互不兼容的国际标准：北美和日本的T1速率和欧洲的E1速率。
2. 不是同步传输。

中国采用欧洲体制，以E1为一次群：E1的一个时分复用帧（125$\mu s$）分为32个时隙，每一个时隙位8bit。那么每秒就有8000帧，于是传输速率为$8000\times 8\times 32=2.048Mbit/s$。

T1一次群的数据率为$1.544Mb/s$。

统计时分复用STDM

时分复用的缺陷：可能会造成线路资源的浪费。

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。

STDM	描述
优点	提高了线路的利用率
缺点	统计时分复用中的时隙不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这样统计时分复用必须有一些开销

波分复用WDM

波分复用就是光的频分复用。

码分复用CDM

当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA。

每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。

发送：

1. 使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的$m$ bit码片序列。
2. 一个站如果要发送比特1，则发送自己的码片序列；如果要发送0，则发送该码片序列的二进制反码。

EXAMPLE：

码片序列	1	0
00011011	00011011	11100100

为了方便，一般将0记为-1，将1记为+1。

CDMA系统的另一个重要特点是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，还必须相互正交。

那么$S\cdot S=1,S\cdot T=0$。

接收：
X站接收到的信号时各个站发送的码片序列之和。

根据上述公示和叠加原理，那么内积求得的结果是：所有其他站的信号都被滤掉，而剩下S站发送的信号。如果内积结果为1，那么发送的就是1，反之为0。

宽带接入技术

ADSL技术

ADSL技术用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造：

1. 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300～3400Hz之间，但用户线本身可以通过的频率超过1MHz；
2. ADSL技术把没有利用的高端频谱留给用户上网。

HFC网

是目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。

和ADSL的思路一样，用户只要把自己的计算机连接到电缆调制解调器就可以方便上网了。

优点：比ADSL更高的数据率；
缺点：用户多的话，实际上网速率会很低（带宽固定）。