计算机网络第二章物理层复习要点

数字调制和多路复用

比特与代表他们的信号之间的转换过程称为数字调制。

信道通常被多个信号共享，这种信号共享的形式称为多路复用技术。

基带传输与通带传输的概念

基带传输：即信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率，这是有线介质普遍使用的调制方法。近距离通信的局域网都采用基带传输。

通带传输：信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带，这是无线和光纤信道最常用的调制方法。

基带传输中的几种编码方式

不归零

NRZ: 不归零编码，即正电平表示1，低电平表示0。一个周期可以全部用来传输数据，这样传输的带宽就可以完全利用。一般常见的带有时钟线的传输协议都是使用NRZ编码或者差分的NRZ编码。因此，使用NRZ编码若想传输高速同步数据，基本上都要带有时钟线，因为本身NRZ编码无法传递时钟信号。注意含有直流分量。

时钟恢复问题

（一长串的0不好确定到底有几个零）

一种策略是给接收器发一个单独的时钟信号。
另一种策略是把数据信号和时钟信号异或混在一起，即曼彻斯特编码方式。此方式也有缺点，它的效率是同参数的NRZ的1/2，因为每一个信号单元，会包括两个bit，而NRZ则是每一个信号单元只含一个bit。那么它以高于二倍比特率的速度运行。NRZ只有在面临一长串的0或1的时候，才会出现时钟恢复，因为当0和1变化频繁的时候，对接受起来说很容易与入境符号流保持同步。

用伪随机序列扰频（解决很多0或很多1的问题）

一种方法，使得数据看起来很随机，这种编码方式称为扰频/倒频（scrambling）。在这种情况下，它很可能会出现频繁的信号转换。扰频器（scrambler）的工作原理是在发送数据之前，用一个伪随机序列异或（XORing）该数据。但是，扰频无法保证不会出现长期保持一种状态（电压），偶尔运气不好时还是可能会出现一直处于某一种状态。如果数据与伪随机序列恰好相同，那么它们的异或结果将是全0。

曼彻斯特编码（所需带宽翻倍）

每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；信号由高向低跳变表示数据0，信号由低向高跳变表示数据1。传输了时钟信号，但也损失了一部分的带宽。是平衡信号，且不含直流信号，自含同步时钟。
有一种方式获得曼彻斯特编码，即通过NRZ与时钟信号的异或运算，注意此处采用时钟上升沿和符号802.3以太网的规则实现

不归零逆转（解决1的时钟恢复）

NRZI：即既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。对于USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码。信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

4B/5B编码（解决0的时钟恢复）

每4个比特被映射成一个5比特模式，如何映射则按照一张固定的转换表进行。5位比特模式的选择使得映射结果永远不会出现连续三个0，如图2-21所示的映射关系。这种编码模式增加了25%的带宽开销，显然比曼彻斯特编码所需增加的100%带宽开销要好。由于有16个输入组合和32个输出组合，因此某些输出组合根本就没被使用。抛开那些具有太多连续0的组合，仍然剩下许多代码组合可用。作为该编码模式的额外收获，我们可以使用这些非数据代码组合来表示物理层的控制信号。例如，在某些场合下用“11111”表示线路空闲，而用“11000”表示一个帧的开始。

信号平衡问题

在很短的时间内正电压与负电压一样多的信号称为平衡信号（balanced signals）。信号的均值为零，这意味着它们没有直流（DC）电气分量。没有直流分量是个优点，因为对于诸如带有变压器的同轴电缆或线路来说，其信道对直流分量有强烈的衰减，这是传输介质的物理性质所决定的。同样的，把接收器连接到信道上的电容耦合（capacitive coupling）方法只允许信号的交流（AC）部分通过。在这两种情况下，如果我们发送了一个平均值不为零的信号，其直流分量将被过滤掉，因而造成能源的浪费。

一种构造平衡码的简单方法是使用两个电压级别来表示逻辑1，比如用+1V或-1V表示1，而用0V表示逻辑0。发送1时，发射器在+1V和-1V之间选择，使得它们总是达到信号平衡。这种方案称为双极编码（bipolar encoding）。在电话网络中，则称为交替标记逆转（AMI，Alternate Mark Inversion）。这个称谓是建立在旧术语之上的，以前1称为“标记”，0称为“空白”。

8B/10B编码（缓解信号平衡问题）

此编码将输入流中的8歌比特映射至10个比特输出，编码效率与4B/5B线性编码一样都是80%。

8分成5和3，5映射6，3映射4。之后再联在一起，一同发送。

通带传输的几种调制方式

ASK:幅移键控，比如使用0和1分别控制不同的振幅幅度。

PSK:相移键控，比如使用0和1分别控制不同的相位移动幅度。

FSK:频移键控，比如使用0和1分别控制不同的频率。

星座图

波特率

在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。

注：一个调制状态能携带的信息可以有多个比特

波特率是传输通道频宽的指标。

波特率（Baud Rate）单位 bps — 每秒传送的字节数（0或1） Byte Per Second.。

比特率

比特率 = 波特率 x 单个调制状态对应的二进制位数。

每秒钟通过信道传输的信息量称为位传输速率，简称比特率。

比特率表示有效数据的传输速率。

频分复用

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用（FDM）外，还有一种是正交频分复用（OFDM）。

时分复用

在这种方式下，用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间，图2-27给出了三个流通过TDM复用的示例。每个输入流的比特从一个固定的时间槽（time slot）取出并输出到混合流。该混合流以各个流速率的总和速度发送。这种工作方式要求输入流在时间上必须同步。类似于频率保护带，为了适应时钟的微小变化可能要增加保护时间（guard time）间隔。

TDM被广泛用于电话网络和蜂窝网络，已经成为组成它们的一部分。

码分复用和CDMA

码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）是扩展频谱（spread spectrum）通信的一种形式，它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。由于码分复用技术最常用于第二个目的，因此它称为码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）。
CDMA允许每个站利用整个频段发送信号，而且没有任何时间限制。利用编码理论可以将多个并发的传输分离开。CDMA不再假设冲突的帧被完全丢弃掉。相反，它假设多个信号可以线性叠加。在讨论具体算法之前，我们来看一个类似的场景：在一个机场候机大厅里，许多人正在两两交谈。TDM可以看作是所有的人都聚集在大厅里按顺序进行交谈。FDM可以看作是大厅里的人以不同的语调交谈，某些语调高些，某些语调低些，所有的交谈可同时进行并相互独立。CDMA可以看作是大厅里的每一对交谈使用不同的语言。讲法语的这一对在谈论有关法国的事情，并且把所有与法国无关的内容都当作噪声拒绝掉。因此，CDMA的关键在于：能够提取出期望的信号，同时拒绝所有其他的信号，并把这些信号当作噪声。
在CDMA中，每个比特时间被再细分成m个更短的时间间隔，这更短的时间间隔就称为码片（chip）。通常情况下，每个比特被分成64或者128个码片。每个站被分配得到唯一的m位码，称为码片序列（chip sequence）。

习题类型：

电路交换与包交换

电路交换技术（CS:circuit switching）

通信网中最早出现的一种交换方式，主要应用于电话通信网中。信息传送的最小单位是时隙。传输信息具有透明性。
传输过程中建立链路占据主要时间。

优点：

实时性好（只存在信号传播时延）
稳定的数据传输速率（资源独占，可靠性高）
不存在信道访问延迟

缺点：

不能充分发挥传输介质潜力
长距离电路的建立时间长
扩展性较差
硬件成本高

包交换技术（Packet switching technology）

也称为分组交换技术。将数据包分组并加上分组头。
分组交换实质上是在“存储—转发”基础上发展起来的。分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据—分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。
数据传输过程中“存储-转发”时延占据主要时间。

优点：

数据可以分流到不同路径，使带宽资源利用更加有效
若链路出现故障同一个报文剩余包可通过其他路径传送

缺点：

存储-转发延迟可能会很大
排队延迟不确定（与流量成正比）
包越多丢失概率越大，报文丢失概率增大

补充一点

第二章习题

下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是

A．接口形状

B．引脚功能

C．物理地址

D．信号电平

【答案】C

【解析】

物理层包含以下四种接口特性：

      （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。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

      （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的意义。

      （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。

物理地址又称硬件地址或MAC地址，属于数据链路层，不要被其名称中的“物理”二字误导认为物理地址属于物理层。

注：传输媒体也不算。