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计算机网络学习笔记(二)——物理层、奈奎斯特/香农定理、物理接口、传输介质、交换、电信网络、无线网络

admin 电脑常识 2021-05-25 09:25:43 网络 计算机网络 
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文章目录

  • 前言
  • 概念
    • 一、物理层功能
    • 二、信道容量
    • 三、物理层接口规范
    • 四、常见的传输介质
    • 五、传统电信网关键技术和结构
    • 六、电信网的演进
    • 七、无线通信系统
  • 参考资料

前言

笔者系电子科技大学2019级在读本科生,针对本学期学校开设的计算机通信网课程,将学习笔记以博客形式上传到CSDN上以便日后复习整理,其中的瑕疵欢迎大家向我指正,在评论区多多交流讨论。

概念

一、物理层功能

物理层服务:提供无结构的bit流传输。
最简单的编码:二进制不归零码
信号变化的快慢,影响数据传输速率。
波特率——码元速率,单位时间内信号的变化次数,单位时间传输码元数量
两种编码模式
1.为多传一些数据,单个信号多层次电平表示的数据更多一些(比如一个信号四个电平编码00到11)信号变化种类为L,可以表达的数据数量为

N = log 2 L
2.为了提高抗干扰、抗衰减的能力,多个信号表达一位数据(例如曼彻斯特编码两个信号辩护表达一bit,有跳变),速率下降。

数字信号不适合长距离传输bit流:衰减、失真
模拟信号传输bit流的调制形式:(1)调幅信号(2)调频信号(3)调相信号
在这里插入图片描述

二、信道容量

时域信号变化越剧烈,对应的频域就越宽。
波特率D(单位Baud),比特率I(单位bps)

I = Dlog 2 V

奈奎斯特定理——有限带宽无噪声信道(理想)

最大数据传输速率(比特率) = 2Blog 2 V (bit/s)
  • B-信道带宽
  • 2-基频为带宽的一半,即有一个谐波。
  • V-信号电平级数量
  • log 2 V-一个信号变化可以表示多少位数据变化

🔺不能无限提高信道速率,接收方难以区分细微差别的信号。
香农定理——随机噪声信道

最大数据传输速率(比特率) = B log 2(1+S/N)bps
  • B-铜线带宽
  • S/N-信噪比(dB)
  • [ x ] dB = 10log10 x

信道数据传输速率影响因素:
(1)带宽:信号能变化多快
(2)编码效率:每个变化能装多少数据
(3)信噪比:能量的限制
传输参数
① 传输速率不同于计算机1KB=1024B(只有计算机不同)
② Transmission Time(传输时间)Tr ——将N bit送上信道所需时间-》传播速率
③ Propagation delay(传输延迟)Tp ——信号在信道上传播的时间,从信道的一端传到另一端【信道长度为D米,信号传播速度为V,信号传播时间Tp =D/V】
信号(电磁波)传播速度:光速 c ;同轴电缆中V略小于c(以2/3c计算)
在这里插入图片描述

④ 误比特率(BER)
BER = 错误的bit数/总bit数 (1)随机误码(2)突发误码

  • 随机误码更容易被发现

三、物理层接口规范

常见接口:

  • RS-232C(异步传输)
  • RJ45(块传输、以太网接口)
  • V.35/G.703(同步传输)
  • BNC(块传输)
  • 光纤接口(块、同步传输)

接口规范:
(1)机械特性
(2)电气特性:电信号
(3)功能特性
(4)规程(过程)特性:针脚
三要素:语法——机械、电气;语义——功能;同步——规程
机械特性:

RS-232C:

  • 低速、短距(不过15m,一般3m内)、简单(3根电线)、基本的I/O接口
  • EIA 574-9针接口、EIA 232-25针接口
    在这里插入图片描述

电气特性:
3 ~ 25V——逻辑‘1’(mark)
-3 ~ -25V——逻辑‘0’(space)
-3 ~ 3V——不确定
功能特性:

  • 收发线路单独分隔开
  • DTE(Data Terminal Equipment)、DCE(Data Circuit-termination Equipment)
  • 只定义DTE端接口线,DCE端配合DTE的定义
    在这里插入图片描述

功能特性:
在这里插入图片描述

规程特性:

在这里插入图片描述

四、常见的传输介质

1、双绞线
特性:
(1)抗串扰、抗干扰
(2)LAN典型组网连接方式:一发全收
(3)一股双绞线有四对八根,两队线实现双向传输
(4)非屏蔽(UTP)、屏蔽(STP)
(5)成本低、星型组网结构,安装维护方便
2、同轴电缆
(1) 基带电缆(基频)传输较近、宽带电缆(频带)传输较远
(2)LAN组网一发全收
(3)成本低,应用广泛有缺陷
3、光纤
(1) 光线传输单向、光纤中全内反射
(2)单模光纤,速率高传输较远
(3)多模光纤,速率低传输较近
(4)光纤网络——LAN、WAN,环型点到点连接的集合;无源星型:广播网络
4、无线传输(空中接口)
(1) 考虑因素:频带带宽、方向性、传输距离、衰落特性、穿越障碍物能力、干扰等
(2)频率低,传播远;波长大,绕射强;频率高,可用带宽大
(3)LF(长波)MF(中波)HF(短波)VHF/UHF(超短波)SHF/EHF(微波)THF,红外,激光

  • 频带宽度估算:可用中心频率正负10%简单计算
    LF:10^5*20% = 20kHz
  • ISM频段,指定给工业、科研和医疗使用,个人不需要经过授权可短距使用

五、传统电信网关键技术和结构

交换——具有多个输入/输出端口的中继设备(节点),如交换机、路由器、网关等
将每个输入端口的输入数据输出到指定的输出端口上。

在这里插入图片描述

交换技术:
(1)电路交换(线路交换)
(2)存储—转发交换:①分组交换a.虚电路(Virtual Circuit)b.数据报(Datagram)
(3)报文交换
在这里插入图片描述

电路交换——面向连接的通信,占用专用点到点的一条信道
通信三阶段-呼叫期、通信期、拆除期
分组交换——数据以分组为单位传输

  • 分组:数据块、定长或可变长;每个分组具有特定结构(格式)——头部 + 载荷;

中继节点先存储再转发
WHY存储:节点CPU处理能力有限;输出端口可能出现分组碰撞问题
虚电路和数据报
1.虚电路-面向连接:类似电路交换三个阶段,虚电路不占用专用线路,进行复用,要进行差错控制和流量控制。
2.数据报交换:面向无连接:每个分组包含目的地址信息,每个分组都被独立处理,可能沿不同路径
3.报文交换类似分组交换,看作是分组交换的前身。
应用:
① 电路交换-适合高负荷的持续通信和实时通信,不适合突发通信
② 虚电路-适合于实时、稳定通信
③ 数据报-适合突发性短报文传输,不适合实时通信。

六、电信网的演进

电话系统(PSTN-Public Switched Telephone Network)
结构——高度冗余,多层次的分层结构
在这里插入图片描述

1.本地回路
数据传输方式:调制解调 Modem(调制解调器,猫)
(1) 电话线带宽与传输距离有关
(2)采用数字用户线(xDSL)技术
a.ADSL

  1. DMT-划分信道
  2. 上下行速率不对称
  3. 特点①数话同传②不对称③速率可调(子信道个数)④速率较高

b.无线本地回路(WLL):LMDS(本地多点分布式服务)、IEEE802.16(无线城域网)

  1. 固定无线接入
  2. 毫米波
  3. 结构:用户+基站
  4. 集中控制
  5. 上下行不对称
    在这里插入图片描述

2.干线
a.多路复用技术(Multiplexing)

  1. 频分多路复用FDM、波分多路复用WDM、时分多路复用TDM
  2. 电话干线通常采用时分复用数字干线
  3. 光纤通信标准:SONET(美国)、SDH(中国)同步光网络采用环形网络

b.SDH(采用时分复用技术)
长距离的光纤信道几乎都用做SDH的光传输通道
c.B-ISDN:更高宽带、底层采用ATM技术
d.ATM(Asynchronous Transfer Mode)
① 三层结构:网络、链路、物理
② 异步时分复用-提高信道利用率
③ 定长信元
④ 交换方式:虚电路
⑤ 介质:光纤,100m内的同轴电缆或双绞线
⑥ 运行在SONET/SDH,承载PSTN干线、ISDN业务
🔺传统电信网络技术逐渐被“全IP”技术替代

七、无线通信系统

解决焦点:(1)无线:信道划分与分配(2)移动:信道切换、漫游

  • 无线蜂窝网:频率重用
  • 模拟蜂窝电话:(1)AMPS(美洲)(2)FDM
  • 数字蜂窝电话:(1)GSM(欧洲)(2)FDM、TDM

2G:GPRS技术
3G:CDMA为基础,带宽更高
4G:OFDM编码,智能天线;扁平化网络
蜂窝网第四代——4G LTE
特点:

  1. 高流动性接入,峰值速率大于100Mbps
  2. 动态共享和利用网络资源,支持更多并发用户
  3. 基于IP分组交换

通信卫星

  1. 地球同步卫星
  2. 中轨卫星
  3. 低轨卫星-铱系统
  4. DTN深空网;用于太空网的延迟容忍网络协议

参考资料

中国大学MOOC电子科技大学计算机通信网络
计算机网络(第五版) 清华大学出版社 严伟、潘爱民 译

文章来源:https://blog.csdn.net/Couldhelp/article/details/117188022

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