物理层

数据链路层
网络层
传输层
应用层

1. 通信基础； 2. 两个公式：奈氏准则， 香农定理； 3. 编码与调制； 4. 数据交换方式：电路交换、报文交换、分组交换； 5. 传输介质：导向传输介质、非导向传输介质； 6. 物理层设备：中继器、集线器

物理层接口特性

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（即定义标准）

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
2. 规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
4. 规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信基础知识第一话

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数据通信相关术语
通信的目的是传送信息

• 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
• 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。数字信号：代表信息的参数取值是离散的，模拟信号：代表信息的参数取值是连续的。
• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接受数据的终点
• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道

三种通信方式
从通信双方信息的交互方式来看，可以有三种基本方式：

• 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道（广播）
• 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接受，需要两条信道
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输：速度快，费用高，适合近距离（用于计算机内部数据传输）

同步传输&异步传输

• 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出一个或多个同步字符，再送出整批的数据。
• 异步传输：异步传输江比特分成小组进行传送，小组可以是8位的一个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道他们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

数据通信基础知识第二话

码元、速率、波特、带宽

• 码元：是指一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M>2），此时码元为M进制码元。

数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量，可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

• 码元传输速率：别名码元速率，波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud），一波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
• 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（b/s）
• 带宽：
  1）模拟信号系统中：当输入的信号频率使得系统的输出功率为输入功率的一般时，最高频率和最低频率的差值就代表了系统的通频带宽，单位是Hz。
  2）数字设备中：表示在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”（或单位时间内通过链路的数量），常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒bps

奈氏准则和香农定理

失真
影响失真程度的因素：1. 码元传输速率， 2. 信号传输距离， 3.噪声干扰， 4.传输媒体质量
信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差

编码与调制（第一话）

基带信号与带宽信号

• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
  分类：模拟信道或数字信道；无线信道或有线信道。
• 基带信号：基带信号就是发出的直接表达了要传输信息的信号，如说话的声波，数字信号
• 带宽信号：将基带信号进行调制形成的频分复用模拟信号再传送到模拟信道上。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。
  在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式。
  编码与调制
  数据经过编码变为数字信号，数据经过调制变为模拟信号。

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编码与调制（第二话）

四种编码与调制的方法

数字数据编码为数字信号
数字数据编码为模拟信号
模拟数据编码为数字信号
模拟数据调制为模拟信号

数据交换方式

电路交换（路由选择算法）
建立连接（呼叫/电路建立）->通信（数据传输）->释放连接（拆除电路）

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报文交换
报文：报文是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整数据信息，其长度很不一致，长度不限且可变。
报文交换的原理： 无需在两个站点间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用 存储转发方式。

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分组交换
分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组。
分组交换的原理： 分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分为一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。

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• 数据报方式

1. 源主机将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点A
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳节点可能不同
3. 结点C收到结点A发送的分组P1后对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃P1的副本
4. 直到所有分组到达目的主机

数据报方式的特点：1. 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方随时发送分组，网络中的节点可随时接受分组

2. 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失
3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址以及分组号
4. 分组在交换节点存储转发时，需要排队等候处理，这回带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换节点还可根据情况丢弃部分分组
5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信

• 虚电路方式
  虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点
  虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有节点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路信息。

虚电路方式的特点：1.虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接

2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
3. 分组通过虚电路上的每个节点时，结点只进行差错检测，不需进行路由选择。
4. 每个节点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务
5. 致命弱点：当网络中的某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该节点或该链路的虚电路将遭到破坏。


数据交换方式的选择

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其合适于计算机之间的突发式的数据通信。

物理层传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，他就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层、传输媒体在物理层的下面，也称传输媒体为0层。
传输介质：导向性传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）、非导向性传输介质

物理层设备

中继器、集线器