通信基础

基本概念

数据、信号与码元

通信的目的是传送信息，如文字、图像和视频等

数据是指传送信息的实体，信号则是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：

1. 串行传输：1 比特 1 比特地按照时间顺序传输，远距离通信通常采用串行传输
2. 并行传输：若干比特通过多条通信信道同时传输，常用于计算机内部

码元是数字信号的计量单位，是一个固定时长的信号波形（数字脉冲），该时长称为码元宽度

表示一位 k 进制数字的码元称为 k 进制码元，1 码元携带 ${\log }_{2}k$ 比特的信息量

思考：二进制码元只需分高低电平，多进制码元就会把电平进一步细分

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：

1. 信源：产生和发送数据的源头
2. 信宿：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
3. 信道：信号的逻辑传输媒介，一个物理通道可以被划分为多个信道

信源发信息给变换器，转换成在信道上传输的信号后，发送给反变换器转换成原始信息，最后发送给信宿

信道用来表示向某个方向传送信息的介质，一条通信线路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

这是一个单向通信系统的模型：

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

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：

1. 基带传输：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

   基带信号就是信源发出的要传输的信息的信号，如计算机输出的数字信号、我们说话的声波

2. 额外：频带传输：将数字信号调制成适合传输的信号后再进行传输

3. 宽带传输：宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输

   将链路容量分解成两个或者多个信道，每个信道就可以携带不同的信号，链路容量大大增加

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：

1. 单向通信：只能一方向另一方发送消息，需要一条信道，如电视广播
2. 半双工通信：都可以收发消息，但不能同时收发信息，此时需要两条信道（逻辑上有两个方向）
3. 全双工通信：双方可同时收发信息，也需要两条信道

信道的极限容量：信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

选择题：复用线路需要的最小通信能力为：支路数 × 支路中的最高速率

速率、波特率与带宽

速率也称数据率，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量：

1. 码元传输速率，波特率等：单位时间内传输的码元个数或脉冲个数或信号变化的次数，单位是波特 Baud/秒
2. 信息传输速率，信息速率、比特率等：单位时间内传输的二进制码元个数，单位是比特/秒

注意：一个波特含有多个比特，信息传输速率 = 码元传输速率 × 一码元含有的比特数

带宽：原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹，现指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，b/s

奈奎斯特定理与香农定理

码间串扰

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的

信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差，如下图 3300 - 300 = 3000：

1. 频率太高时：在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限（码间串扰）
2. 频率太低时：频率可能在传输中衰减没了，自然接收方不能收到东西

奈奎斯特定理

又称奈氏准则，规定了：

在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W 波特，其中 W 是信道的带宽

若用 V 表示每个码元离散电平的数目（码元的进制数），则极限数据传输速率 = $2W{\log }_{2}V$ 单位 b/s

对于奈氏准则，可以得出以下结论：

1. 码元传输速率是有上限的，超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题
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. 只对码元传输速率的限制，可以通过每个码元携带更多比特的信息量来提高数据传输速率

思考：就像 sinx 有正和负两个部分，都可以携带数据，所以极限为频率的两倍

香农定理

给出了有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差

香农定理定义极限数据传输速率 = $W{\log }_2(1+S/N)$ 单位 b/s，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，转换为单位为分贝 dB 的信噪比 = $10{\log }_{10}(S/N)$

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. 确定传输带宽和信噪比，信息传输速率的上限是确定的
3. 只要信息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

香农定理从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

思考：奈氏是避免码间串扰，香农是防止噪声损坏数据，做题时若有噪声则求两者，取较小的为极限（最大）传输速率

同步通信与异步通信

计算机网络中，同步的意思很广泛，没有统一的定义，如协议的三个要素之一就是同步

网络编程中，同步主要指某函数的执行方式，即需等待函数执行完后才能进入下一步；异步可简单地理解为非同步

在数据通信中，同步通信与异步通信区别较大：

• 同步通信：通信双方必须先建立同步，即时钟要调整到同一个频率，收发双方才能发送和接收连续的同步比特流

  主要有两种同步方式：

  1. 全网同步：用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步
  2. 准同步：各结点的时钟之间允许有微小的误差，然后采用其他措施实现同步传输

  同步通信数据率较高，但实现的代价也较高

• 异步通信：发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，但接收端必须时刻做好接收的准备

  每个字符开始和结束的地方加上标志，即开始位和停止位，以便接收端能够正确地将每个字符接收下来

  异步通信也可以用帧作为发送的单位，但要给帧定界，使得接收端能够找出一帧的开始

  异步通信的通信设备简单、便宜，但传输效率较低

下图给出了以字符、帧为单位的异步通信示意图：

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

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

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

编码即是用什么数字信号表示 0，用什么数字信号表示 1；编码的规则有多种，只要能有效地把 1 和 0 区分开即可

1. 归零编码 RZ：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

   优点：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

   缺点：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 NRZ：后半段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 NRZI：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，USB 2.0 通信的编码方式就是这种编码（每 6 个 1 强插 0 实现时钟同步）

4. 曼彻斯特编码 Manchester Encoding：前高后低为 1，前低后高为 0，时钟周期的中间进行跳变

   优点：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；缺点：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：前半电平与上码元的后半电平相同时为 1；情形相反时为 0

   优点：曼彻斯特编码优点 + 抗干扰性较好；缺点：仍需要两倍带宽；常用于局域网传输

6. 4B/5B 编码：将欲发送数据流的每 4 位作为一组，然后按照编码规则将其转换成相应的 5 位码

   5 位有 32 种组合，用 16 传数据，另外 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，基本的数字调制方法有如下几种：

1. 幅移键控 ASK：改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0；比较容易实现，但抗干扰能力差

2. 频移键控 FSK：改变载波信号的频率来表示数字信号 1 和 0，容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛

3. 相移键控 PSK：改变载波信号的相位来表示数字信号 1 和 0，它又分为绝对调相和相对调相

4. 正交振幅调制 QAM：在频率相同的前提下，将 ASK 与 PSK 结合起来，形成叠加信号

   波特率为 B，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，数据传输速率为 = $B{\log }_2(mn)$ 单位 b/s

思考：模拟信号其实就是三角函数 $A\sin (Bx+C)$，振幅是控制 A，频率是控制 B，相位是控制 C

2ASK 通过有无幅度别表示 1 和 0；2FSK 高低频率表示 1 和 0；2PSK 用相位 0 和 $\pi$ 表示的 1 和 0，是绝对调相

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，即采样、量化和编码：

1. 采样定理：采样频率 $f_{\mathrm{采}\mathrm{样}}$ 必须大于等于最大频率 f 的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息

   模拟信号是由多个 Asin(Bx+C) 函数叠加，采样频率大于最大频率两倍时，根据所采的数据能推出这些三角函数

2. 采样：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

3. 量化：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

4. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

思考：采样拿到参差不齐的电平；量化把这些电平转整数，如 2.13V→2；编码把量化结果转二进制，如 2→10

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采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

思考：模拟数据的频率不能进入信道，就需要把它的频率调到信道所需的频率（模拟信号），再放入信道

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径，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

电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输、连接释放

电路交换技术的优点如下：

1. 通信时延小：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
2. 有序传输：双方通信时按发送顺序传送数据，不会失序
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：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，通信线路空闲时，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低
3. 灵活性差：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：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，不存在存储转发所耗费的时间（中间结点直接转发）

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：用户可以随时发送报文，不存在建立连接时延
2. 动态分配线路：交换设备接收报文时，存储整个报文后，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：某条传输路径发生故障，就选择另一条路径传输数据
4. 提高线路利用率：通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道
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
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，现在通常被的分组交换方式所取代

分组交换

分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大数据块划分为小数据块，加上控制信息，构成分组 Packet

网络结点接收分组时，暂时保存并排队等待传输，然后根据控制信息选择下一个结点，反复直到目的地

分组交换的优点如下：

1. 无建立时延：用户可随时发送分组，不存在连接建立时延

2. 线路利用率高：通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路

3. 简化了存储管理：分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中对缓冲区的管理，相对比较容易

4. 加速传输：后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，减少了报文的传输时间

   传输一个分组所需的缓冲区更小，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，且重发的数据量也大大减少

分组交换的缺点如下：

1. 存在传输时延：分组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、分组编号等信息，从而构成分组

3. 采用数据报服务：会出现失序、丢失或重复分组，到达终点时，要对分组按编号进行排序等工作，很麻烦

   采用虚电路服务：需要呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

三者比较

这是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，采用电路交换较为合适
• 端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适
• 报文交换和分组交换的信道利用率优于电路交换
• 分组交换适合于计算机之间的突发式数据通信，它比报文交换的时延小

数据报与虚电路

分组交换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

思考：TCP/IP 网际层是无连接的，所以虚电路不是 TCP/IP 网际层的协议，实际上 TCP/IP 使用的是数据报服务

数据报

端系统：发送一个报文时，先把报文拆成若干带有序号的数据单元，加上地址等控制信息后形成数据报分组

中间结点：存储分组，找最佳的路由，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

用下图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. 然后查找自己的转发表（不同时刻的网络状态不同，转发表的内容可能不完全相同）

   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

数据报服务具有如下特点：

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

2. 传输不保证可靠性，可能会丢失；每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，到达序号可能不同

3. 分组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

   通信量较大或拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组

5. 网络具有冗余路径，一个交换结点或链路故障时，更新转发表，选择另一条路径，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. 收发双方不独占某条链路，资源利用率较高

虚电路

虚电路方式 = 数据包方式 + 电路交换方式，试图发挥两者的优点，其通信过程分为：虚电路建立、数据传输、虚电路释放

在虚电路的建立过程中确定的信息：

• 在分组发送之前，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
• 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
• 虚电路表项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

在传送数据时，每个数据分组要有它要通过的虚电路号，以识别发送分组使用的虚电路

虚电路方式的工作原理如下图：

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送往主机 B，若主机 B 同意连接，则发送呼叫应答分组

2. 虚电路建立后，主机 A 就可向主机 B 发送数据分组，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

虚电路服务具有如下特点：

1. 连接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，还可以进行流量控制
4. 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（致命弱点）
5. 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小

虚电路不是专用的，一条链路可以被多个虚电路使用，甚至可以多条虚电路所使用的链路是一样的

注意：这里的传输确认（ACK）是由高层实现的，这在数据报和虚电路都是没有的

两者比较

传输介质

也称传输媒体，它是数据传输系统中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：

• 导向传输介质：电磁波沿着固体媒介（铜线或光纤）传播
• 非导向传输介质：沿着空气、真空或海水等传播

注意：传输介质不是物理层的内容，可以看作是第 0 层，只是发送信号，不管信号代表什么

双绞线、同轴电缆、光纤

双绞线

双绞线是最常用的古老传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成，以减少对相邻导线的电磁干扰

屏蔽双绞线 STP 在双绞线的外面加一层屏蔽层，以提高抗电磁干扰能力；无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线 UTP

双绞线的价格便宜，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

按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为 50Ω 同轴电缆和 75Ω 同轴电缆：

• 50Ω 同轴电缆：传送基带信号，又称基带同轴电缆，它在局域网中应用广泛
• 75Ω 同轴电缆：传送宽带信号，又称宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统

同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，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

选择题：利用一根同轴电缆互联主机构成以太网，主机的通信方式为半双工

光纤

利用光导纤维（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 10MHz，因此光纤通信系统的带宽范围极大

光纤主要由纤芯（实心）和包层构成，纤芯直径只有 8 至 $100\mu m$，光波通过纤芯传导，包层较纤芯有较低的折射率

当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角

因此，入射角大于某个临界角度，就会出现全反射，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去

利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤

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

光纤的直径为一个光的波长时，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

单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高，光源为定向性很好的半导体激光器

单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，还具有如下特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2. 抗雷电和电磁干扰性能好，在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
4. 体积小，重量轻，在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利

无线传输介质

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、WLAN 等

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可与无线电波发射者进行通信连接（最重要的优点之一）

微波、红外线、激光

目前高带宽的无线通信主要使用微波、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

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

地球是圆的，而微波沿直线传播，因此在地面的传播距离有限，要用中继站来接力

利用卫星作为中继来转发微波信号，克服地面微波通信距离的限制，三颗相隔 120° 的同步卫星基本能实现全球通信

• 优点：通信容量大、距离远、覆盖广、广播通信和多址通信
• 缺点：传播时延长（250~270ms）、受气候影响大、误码率较高、成本高

物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接到各种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：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
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
4. 过程特性，规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

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

物理层设备

中继器

通过信号再生实现将信号整形并放大，以消除失真和衰减，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，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据

中继器是用来扩大网络规模的最简单廉价的互联设备，其两端的网络部分是网段，连接的几个网段仍然是一个局域网

中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都将产生影响；中继器不能连接两个具有不同速率的局域网

注意：具有转发存储转发功能的设备才能连接两个不同协议；中继器没有，它两端的网段只能使用同一个协议

理论中，可以使用无限个中继器；但实际上，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

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，这就是所谓的 5-4-3 规则

注意：放大器放大模拟信号，原理是将衰减的信号放大；转发器也是物理层设备，可以放大信号

集线器

集线器 Hub 实质上是一个多端口的中继器

Hub 工作时，一个端口接收到数据信号后，使之再生（恢复）到发送时的状态，转发到除输入端口外，处于工作状态的端口

同时有两个或多个端口输入，输出时会发生冲突，致使这些数据都无效，会另取一个时间在发

Hub 在网络中只起信号放大和转发作用，以扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，是标准的共享式设备

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

Hub 的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段，Hub 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：集线器的所有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

• 多台机器经常需要同时通信时，将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差
• 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，每台计算机的带宽为 10/8Mb/s = 1.25Mb/s

选择题：如果只从物理层看的话，端口只能连接同速率的网段；不仅仅从物理层看的话，端口只能连接同速率和同协议

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📝 个人补充与原笔记精华

NOTE

传输信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而在物理层协议下面。因此，有人把物理媒体当作第 $0$ 层。

IMPORTANT

当没有给信噪比的条件就只能使用奈氏准则，而如果当给出了信噪比与码元种数时，就需要同时使用奈氏准则与香农定理，然后取较小值作为答案。

NOTE

1. 报文交换和分组交换都采用存储转发。
2. 传输数据量大且传输时间远大于呼叫时间，就选择电路交换，其传输时延最小。
3. 报文交换分组交换在信道利用率上优于电路交换。

IMPORTANT

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。