计算机网络个人笔记：第二章-物理层
二、物理层
（一）物理层机制概述
物理层实现比特流透明传输（无论比特流是什么都能传），
1.先对于接传输媒介（第0层）的接口特性进行定义
2.再对传输到媒介上的速率进行定义（为避免失真，最大速度受到奈氏准则和香浓定理的限制），
3.以及对传输时的模式进行定义（单双工等通信方式、串行并行的传输方式）
4.之后将比特流用比特编码（调制）技术转换为电信号传输到媒介上传播。
5.传播过程中通过更改介质为光纤、或加入物理层设备中继器集线器的方式扩大物理范围。
（二）功能一：定义接口特性
机械特征（引线引脚）、电气特性（电压范围、传输速率、距离限制）、功能特性（电平表
的几何意义）、规程特性（工作规程、时序关系）。
（三）功能二：定义传输模式
1.通信基础知识：
信源通过发送器发出信号，经过传输系统进入接收器，到达信宿。
数据：传送信息的实体·，有意义的符号序列。
信号：数据在传输过程中的电气表现形式。数字信号、模拟信号。
信道：信号的传输媒介（向某一方向）。模拟信道、数字信号。无线信道、有线信道。
码元：一个码元就是一个信号（信号中的一段），其时长称为码元宽度，码元有几种不同高低状态则称其为几进制的码元。4进制码元包括01、10、11、00，则1码元可携带2个比特的信息量。一个信号8级=一个码元有8个状态。
速率（数据率），是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可用1.码元传输速率和2.信息传输速率表示。
码元传输速率：即调制（符号）速率，1s传输的码元个数，与进制数无关。1波特=1码元/s。
信息传输速率：即比特率，1s传输的比特数，码元数乘每个码元携带比特量。系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率。
带宽：最高数据率，单位是b/s，表示网络通信线路传输数据的能力。
2. 两种数据传输方式（发送数据时在信道的传输方式）：串行传输（慢便宜适合远）、并行传
输（快贵适合近）。
3. 三种通信方式（确定谁是发送方谁是接收方）：单工通信：仅需一条信道，只一方向。半
双工：双方都可发送接收，但不能同时，需两条信道。全双工：可以两边同时发送和接收，
需两条信道。
（四）功能三：定义传输速率
1.信号失真
（1）失真：信号经历现实中带宽受限、噪声、干扰影响后被损耗过大无法识别原数据。码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量会影响失真程度。
（2）针对可能导致失真的两个问题：码间串扰、信道噪声，分别提出奈氏准则和香农定理，对码元和数据传输速率进行限制。
2.奈氏准则
（1）解决问题：码间串扰：信号频率太高，码元传输太快，产生码间串扰，故频率太高的信号不能通过。
（2）奈氏准则为了解决这个问题，规定码元传输速率上限为2W 波特，W是信道带宽（单位Hz），则极限数据传输率=2W*log2 V 单位：b/s（V代表码元的状态数）。信号频带越宽（最高频和最低频的差，W）越大则极限码元率越大，同时要让信息率（奈氏准则没给出信息传输率的限制）越大还可设法使每个码元能携带更多比特。
（3）奈氏准则必须在理想低筒信道+无噪声条件下使用。
3.香农定理：
（1）解决问题：信道中噪声如果很大，会使接收端对码元判决失误。信号相对强，噪声影响相对小，信噪比=信号平均功率/噪声平均功率，记S/N，信噪比（dB）=10log10 (S/N)，计算题中注意信噪比是否有单位、是否需换算。
（2）香农定理定义信道的极限数据率=W*log2 (1+S/N) (b/s)。
（3）若同时给了两个准则的计算条件，两个都算取小的。若两种条件都没给，还有一种算最大数据传输率的题型：信道每1/k秒采样一次，则采样速率为k成每码元含比特数，而数据传输率<=采样速率。
（五）功能四：比特编码（调制）
1.基带与宽带信号：
基带信号（来自信源的信号，直接表达了要传输信息的信号，对应数字信道、基带传输），宽带信号（将基带信号进行调制后形成的频分服用模拟信号，对应模拟信道、宽带传输，基带信号经过载波调制搬移到加高频段，使其在传输中不易衰减，距离远使用宽带信号）。
2.编码与调制
数字数据转数字信号即编码（数字发送器），数字数据转模拟信号即调制（调制器）。
模拟数据转数字信号即编码（PCM编码器），模拟数据转模拟信号即调制（放大调制器）。
3.数字数据转数字信号：
（1）非归零编码NRZ（重点）：电位低0高1直接编，一个码元一个二进制数，电位相连时难以确定数据数，需额外告诉一个电位所占时长；
（2）归零编码：一个码元前半段代表数据，后半段归零。信道长时间处于低电位。
（3）反向不归零编码NRZI：每个码元一个数，电平翻转表0，否则表1。不利于标记1的数量。
（4）曼彻斯特编码（重点）：一个码元前一半低后一半高表1，前高后低则为0。（也可反着规定）。在每个码元中间都会有一次电位跳变，一旦遇到跳变就读取两边电位即可判断01。所占频带宽度是原始基带宽度的两倍。码元传输速率（调制速率）是比特（数据）传输速率的二倍。
10Base-T网卡用曼彻斯特编码，以太网也用曼彻斯特编码。
（5）差分曼彻斯特（重点）：下一个为1，下一的前半和这一后半相同，反之不同。比曼彻斯特抗干扰能力强。
（6）4B/5B编码：将所有4比特的数据用5比特编码，编码效率为80%。
4.数字数据调制模拟信号：
调幅：0对应无，1对应有幅。调频：0、1对应低频高频。调相：0、1对应正余弦相位。
调幅+调相（QAM）：一个码元若有k种状态，则其对应log2 k 位比特。
5.模拟数据编码数字信号：
步骤一：抽样：连续信号离散化，变成对应的一些点的数字。采样频率》=2*信号最高频率（不然无法确定正确的波形）。
步骤二：量化：将数字千奇百怪的值按分级标度转为整数，某一段定义为某个数。
步骤三：编码：整数结果转换为与之对应的二进制编码（确定需要几位比特位）。
6.模拟数据调制模拟信号：
信号调制成高频信号使其不易衰减能经过长距离。
（六）物理层设备
1.传输媒介（严格来说属于第0层，不属于物理层）
（1）定义：传输媒介即数据传输系统中发送与接收设备间的物理通路（信道是逻辑通路）。传输媒介在物理层下面，物理层无脑传输比特流（但由于规定了电气特性，因此能对信号和比特流进行转换），传输媒介无脑传输信号。
（2）导向性传输介质：
-1-双绞线：内部两根绞合（绞合为了减少相邻导线的电磁干扰）的铜导线，外部绝缘层、（屏幕层，这层可选，为了进一步提高抗电磁干扰能力）、聚氯乙烯套层。
特点：价格便宜，距离太远时要用放大器（模拟）或中继器（数字）对信号进行重置。
-2-同轴电缆：从内到外内导体、绝缘层、外导体屏蔽层、绝缘保护套层，同轴，传基带和宽带信号的分别为基带（宽带）同轴电缆。
特点：抗干扰性比双绞线好（也更贵），距离更远，被广泛用于传输较高速率的数据。
-3-光纤：光纤用光脉冲通信，带宽大、通信量大，要进行光电转换。内纤芯（实心，玻璃）外包层，包层较纤芯折射率较低，会产生全反射，光线就在光纤中来回反射传下去。常用光缆将光纤捆成一束。
多模光纤：有多重传输光信号模式的光纤，光源是普通发光二极管，特点易失真，适合近距离。
单模光纤：将线路压缩使光线几乎直线传播，光源是定向性很好的激光二极管，特点是损耗小，适合远距离传输。
特点：1损耗小距离长，2抗电磁干扰性能好，3不易窃听保密性好，4轻便。
（3）非导向性传输介质：
-1-无线电波：信号向所有方向传播，穿透能力较强，可远距离传，广泛用于手机等通信领域。
-2-微波：固定方向，通信频率较高、频段宽、数据率高。
应用有地面微波接力通信和卫星通信（接力站变成卫星，优点是通信容量大、距离远、覆盖广、广播和多址通信，缺点是时延长、气候影响大、误码率高、成本高）。
-3-红外线、激光：固定方向，要转格式为红外光信号和激光信号。
2.中继器、集线器。
（1）中继器：将损耗的数字信号再生和还原，延长传输距离，两端可连相同或不同，媒体两端的网络部分是网段不是子网，适用于同一种类型、速率相同、协议相同的网段的互连（中继器不会存储转发）。仅作用于信号的电气部分。
网络标准对延迟范围作了规定，故中继器的使用有限制，5-4-3规则，5个网段，其中4个物理层设备（中继器、集线器），只有三个段挂计算机。
（2）集线器（多口中继器）：区别于中继器的是其主要用于放大转发信号，不具备信号定向传送能力，是一个共享式设备（广播），会从出输入端口外的所有输出端口输出。收到信号的主机识别是否是给自己的，不是就丢弃。不能分割冲突域。
（3）各层设备能否隔离冲突域、广播域：物理层（中继器、集线器）都不能，链路层（网桥、交换机）能和不能，网络层（路由器）都能。