第二章 物理层

该定理描述的是一个信道在低通、无噪声、带宽受限的条件下为了避免码间串扰的极限码元传输速率，其中 是理想低通信道的(模拟)带宽。
极限码元传输速率则该信道的极限数据(data)传输速率为：
数据传输速率注：

1. 奈奎斯特定理并未限制最高信息(imformation)传输速率，因为我们可以采用调制方法、编码技术来提高信息传输速率。
2. 奈奎斯特定理限制的是最高码元传输速率。
3. 低通是指低于最高频率的所有信号都可以通过的信道，如下图就不是一个低通信道：
   
4. 信息传输速率可以大于数据传输速率(但是这data和information的概念都不同为什么要进行比较...)。
   因此(模拟)带宽越宽，就可以使用更高的速率进行信号传输。

该定理描述的是在带宽受限、有噪声的信道中，为了不产生误差的最大数据传输速率。
公式内容：
信道的极限数据传输速率为带宽(Hz)，数据传输速率单位b/s。

有事可能会给出以分贝(dB)为单位的信噪比条件，概念如下：

• 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，即：
  信噪比信号平均功率噪声平均功率 当使用分贝(dB)作为单位时有：
  信噪比

注：

1. S是信道的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率。
2. 只要信息传输速率低于信道的极限数据传输速率，那么就一定存在某种方法实现无差错的数据传输。
3. 实际信道传输速率会比极限值低很多。
4. 显然，信噪比越高，传输速率越高。如果信噪比无穷大(不可能)，则信道带宽无穷大。

数字数据转数字信号的编码可以根据规则不同大致分为如下几类：

数字数据转模拟信号的调制主要有以下(3+1)种：

模拟数据编码为数字信号最典型的例子就是脉码调制(PCM)，其主要作用是将连续的模拟音频转化为有限个数字表示的离散序列，其主要有如下三个步骤：

1. 采样，对连续的模拟信号以一定频率进行采样，为了保证离散信号能无失真的采样，必须保证采样频率大于等于二倍的信号最大频率(采样定理)。
2. 量化，将连续的数据按一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数得到离散的数据量。
3. 编码，把量化的结果编码为二进制的编码。

采样定理：
对于可以分解为若干有限频率正弦波的信号，可以由傅里叶变换分离出各个频率分量的幅值，则当采样频率大于最大频率二倍时才能被有效的成功采样。

可以将较低的模拟数据调制到较高的模拟信号上以充分利用信道资源。

独占电路的交换方式就叫做电路交换，例如老式的电话接线员模式。

电路交换的过程中，每一个交换通道都需要保持一个独占的物理连接线路直到数据传输结束，其主要流程如下：

1. 建立连接，建立对应电路
2. 数据传输
3. 释放连接，拆除对应电路

优点主要有：

1. 传输时延小。
2. 数据顺序传输，无失序问题。
3. 实时性强，一旦建立物理链路即可实现实时通信。
4. 全双工通信，不会产生冲突。
5. 适用于数字信号的模拟信号。
6. 控制简单，电路交换的交换设备简单。

缺点主要有：

1. 建立连接所需时间长。
2. 信道独占，即使信道空闲，只要会话未结束均为独占状态，信道利用率低。
3. 灵活性差，一旦双方链路出现问题必须重新拨号建立新连接，不适用于突发通信。
4. 无数据存储能力，难以平滑通信量。
5. 电路交换中，不同类型、不同协议、不同规格的设备难以互相通信。
6. 无法发现和纠正错误，难以实现差错控制。

报文：
指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。包含目的地址、源地址、信息等。

报文交换原理：
两个站点间各个节点对报文进行存储和转发。

优点主要有：

1. 无需建立连接，没有建立连接时延，用户可随时发送报文。
2. 动态分配线路，自动选择路径，平滑信息量。
3. 提高线路可靠性，某条线路出现故障时可以通过另一条路径进行传输。
4. 提高路线占用率，信道可以分时复用。
5. 提供多目标服务，一个报文可以发往多个目的地址。
6. 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，增加了不同类型、不同协议、不同规格设备间的兼容性。

缺点主要有：

1. 实时性差，不适合实时性高的业务。
2. 只适用于数字信号。
3. 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整的接收整个报文，因此增加了缓冲区容量；有时还需要把报文缓存到磁盘上，增加了传送时延。

分组交换是目前互联网最常使用的一种交换方式。

由于大多数网络系统都无法传送任意长度的数据，因此需要对大的数据分割成小块，然后逐个发送。每一个块被称为分组(packet)，包含控制信息(源地址、目的地址、编号)和数据。

分组交换基本原理与报文交换基本相同，都是存储与转发。但是分组交换会限制数据单位的长度，一般限制为 128B 。

优点主要有：

1. 无建立时延，用户可随时发送分组。
2. 线路利用率高，信道可以分时复用。
3. 简化了存储管理，降低了缓冲区需求。
4. 加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作，减少等待发送时间。
5. 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，降低传输时延。
6. 分组短小，适合计算机之间的突发性通信。

缺点主要有：

1. 仍存在分组转发时延。
2. 每个分组都要添加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间。
3. 当采用数据报服务时，分组可能出现失序、丢失和重复分组，需要进行重排操作；当采用虚电路服务时，会产生建立连接、数据传输和虚电路释放三个过程。详见下方两个小章节。

特点：价格便宜、运用广泛。
当其传输数字信号时需要使用中继器将即将失真的信号整形并重新发送，当其传输模拟信号时需要使用放大器放大衰减的信号。

特点：有较强的抗干扰性(比双绞线强)、价格较双绞线贵、传输距离较双绞线远。

其中，传输基带信号的同轴电缆叫做基带同轴电缆，传输宽带信号的叫做宽带同轴电缆。

特点：

1. 光纤是实心的，外侧有包层，可使光纤在光纤内部达成全反射。
2. 带宽远大于当前其他所有传输介质。
3. 传输距离远，长距离传输性价比高。
4. 保密性好。
5. 抗雷电和电磁干扰能力强。
6. 体积小、重量轻。

光纤按直径可分为：

1. 多模光纤：有多种传输光信号模式的光纤，通常使用普通发光二极管，传输距离一般。
   
2. 单模光纤：光纤直径减小到一个光的波长时的光纤，衰减小，通常使用定向性很好的半导体激光器，传输距离高。