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【1】物理层【计算机网络知识图谱】

【1】物理层【计算机网络知识图谱】

作者: 景知育德 | 来源:发表于2021-11-17 21:49 被阅读0次

ISO/OSI将计算机网络分为7个层次,而TCP/IP协议将计算机网络分为4个层次。但是为了方便学习,我们分为5个层次来学习,物理层作为最底层;之后和TCP/IP的4个层次一样:

  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 传输层
  5. 应用层

物理层传输的是比特流,也就是二进制的0和1构成的信号。数据链路层一般是,而网络层一般是IP数据报

本文提要

本文提要(思维导图)

信号

基带信号:数字信号(0和1)
宽带信号:加载在模拟信号上
可以用直流电压的高低来表示数字信号0或1,在芯片级、电路板级,一般都是用这种方法进行传输,和《数字电路》所学知识吻合。但是要远距离传输,仅用高电平/低电平 或 上升沿/下降沿等数字电路的方法来表示,是远远不够的。
为了能够远距离传输数据,还是需要模拟信号,使用类似于正弦波的波来传输。
故而,在发送处,需要将数字信号调制为模拟信号,再传输。在接收处,需要将模拟信号解调为数字信号。

带宽

模拟电路的带宽

由电路相关课程可知,有效的电信号频率一般在一个范围之内(譬如1 ~ 3 kHz),可以将其称为“通带”,电路只允许这个频段的信号传输(,其它频率的信号会衰减很多)。
用通带最高频率减去最低频率,变得到模拟电路的带宽。
(如果通带是1 ~ 3 kHz,那么带宽为2 kHz)

计算机网络的带宽

计算机网络中的带宽,一般并不是上述模拟电路的带宽。计算机网络中的带宽,是用来表示网络通信线路所能传输数据的能力。一般代为为bit/s,读作“比特每秒”。
1 bit也就是1比特,表示1位二进制数字。

信噪比

信噪比的定义

S表示信号的功率,用N表示噪声的功率。如果直接S/N,可能会因为数量级差异太大,而不直观。故而,使用取对数的方法,来描述信噪比。这里使用常用对数。
信噪比 = 10 {\rm log}_{10}(S/N) 单位:dB(分贝)
也就是说,每10分贝,信噪比差十倍。

Shannon定理

Shannon定理表明了电路传输率(单位:bit/s)与模拟电路带宽、信噪直接的关系。
C_{\rm max}=W{\rm log}_2(1+S/N)
其中W是模拟电路的带宽(单位:Hz),S为信号的功率,N为噪声的功率。

数据传输方式

包括①电路交换、②报文交换、③分组交换

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电路交换

建立物理连接,独占线路。(类似于老电话接线员,直接把线接起来。)

由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)

优点

①线路专用,数据直达,时延非常小。
②实时性强。
③按发送顺序传送数据,不存在失序问题。
④既适用于模拟信号,也适用于数字信号。
⑤电路交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。

缺点

①电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。
②电路交换连接建立后,物理通路被通信双方独占,即使通信线路空闲,也不能供其他用户使用,因而信道利用低。
③电路交换时,数据直达,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。

这种通信方式非常适合即时语音(如打电话)这种对实时性要求高的业务。但不适合数据通信业务,对于两台计算机进行数据通信来说,大多数时间线路是空闲的,由于物理通路被通信是独占的,不能供其他用户使用,因而信道利用低。

上述引用参见:https://blog.csdn.net/weixin_42449534/article/details/96615313

报文交换

报文携带目的地址、原地址,存储转发。

优点

①不存在建立时延。
②因为采取存储转发的方式,稳定性高。
③不会独占线路,线路利用率高。

缺点

①报文交换本身有时延(尽管建立时没有),实时性差,不适合传送实时或交互式业务的数据
②只适用于数字信号。
③有时要把等待转发的报文存在磁盘上,进一步增加了传送时延。

分组交换

将长报文分割为若干个短的报文,存储转发。

优点

①加速了数据在网络中的传输。
②简化了存储管理。
③减少了出错机率和重发数据量。
④便于及时传送一些紧急数据。

缺点

①尽管分组交换比报文交换的传输时延少,但仍存在存储转发时延。
②每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息,一定程度上降低了通信效率,时延增加。
③可能出现失序、丢失或重复分组,分组到达目的结点时,要对分组按编号进行排序等工作。

上述引用参见:https://blog.csdn.net/weixin_42449534/article/details/96615313

报文交换和分组交换都存储转发,区别在于分不分割
分组交换又分为①虚电路 和 ②数据报,这两种服务事实上都来自于网络层。

  • 虚电路 —— 面向连接 —— 指定路径,分组首部不包含目的地地址。
  • 数据报 —— 面向无连接 —— 各个分组不一、顺序不一,有可能丢失。

物理层设备

物理层设备有①中继器 和 ②集线器
(等后文碰到了其它层的设备,再做总结。)

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