计算机网络学习笔记（二）：物理层

1  OSI参考模型

1.1  基本概念

应用层：所有能产生网络流量的程序。记事本不能产生流量，所以它不是应用层程序。
表示层：负责在传输之前数据是否进行加密或压缩处理，降低带宽，以二进制或ASCLL码表示，是开发人员要考虑的问题。表示层出现问题会乱码。
会话层：会话指的是客户端和服务器之间的通信。
可以在命令行中输入netstat -n来查看会话：

其中ESTABLISHED已经建立的会话；TIME_WAIT会话即将关闭。
传输层：提供可靠传输（需要建立会话，出现丢包情况继续重发），流量控制（发包的快慢），不可靠传输（一个数据包就可以搞定，不用建立会话。例如：网址的域名解析；QQ聊天）。
网络层：负责选择最佳路由路径，规划IP地址。
数据链路层：负责数据封装（定义帧的开始和结束）；添加物理地址（MAC地址）；实现透明传输、差错校验（只负责检查，错误的扔掉，不负责纠错。纠错是传输层负责）。
物理层：定义网络设备接口标准、电压标准；如何在物理链路上传输更快。

1.2  OSI参考模型对网络排错的指导意义

OSI中，下一层为上一层提供服务，如果网络出现问题，应该从底层一项一项往上查。（网络层之上全用应用层代替）
物理层：网线断、接触不良。排错：查看连接状态、发送和接收的数据包。
数据链路层：问题有很多，比如（1）MAC地址冲突。如果一个网段里两台电脑有两个相同的MAC地址，会产生冲突（MAC地址可以改，在有的学校，外校学生偷网，会把自己电脑MAC地址改成该学校允许上网的MAC地址）；（2）ADSL网欠费；（3）网速没办法协商一致（带宽默认自动协商，以速度低的为主。交换机某个口强制设成1000M带宽，而另一设备的接口只支持100M带宽，则网不通。）；（4）计算机连接到错误的VLAN。
网络层：地址错了（同一网段的电脑IP地址网络段应该相同，配置了错误的IP地址和子网掩码）、路径错了（计算机没配网关或配错网关选不了路径；数据包发到了一个断了的路径；路由器上没有配置到达目标网络的路由信息）。
应用层：应用程序配置错误（比如浏览器设置了错误的代理）。

2  物理层

2.1  基本概念

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。
物理层的主要任务描述为: 确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
机械特性: 例接口形状，大小，引线数目
电气特性：例规定电压范围(-5V到+5V)
功能特性：例规定-5V表示0，＋5V表示1
过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤
（例如：饮料瓶盖标准化使得大、小瓶饮料瓶盖可以互用。）

2.2  数据通信的基本知识（不单指计算机）

通信的目的是传送消息。
数据：运送消息的实体。
信号：数据的电气的或电磁的表现。例：0v代表0，5v代表1。
模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code)：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元。
在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。 而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量。

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。包括：单工、半双工、全双工方式。
基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
带通信号：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（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

2.3  常用编码方式

常用编码方式：单极性不归零码；双极性不归零码；单极性归零码；双极性归零码；曼彻斯特编码；差分曼彻斯特编码。

采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输。下图为曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码。下图为差分曼彻斯特编码。

2.4  奈氏准则和香农公式

奈氏准则：在假定的理想条件下（无噪声干扰），为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。C=2f Baud（波特）
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能（发送速率越快，信号长度越窄）。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。例：光纤比铜线支持的带宽高，光纤的发送速率更高。
香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
有噪声时信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S/N) b/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。

2.5  传输介质

有线介质包括双绞线、同轴电缆、光纤。
这里介绍一下网线：
直通线：双绞线夹线顺序是两边一致，统一都是橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。注意两端都是同样的线序且一一对应。这就是100M网线的做线标准，即568B标准，也就是我们平常所说的正线或标准线、直通线。
直通线应用最广泛，这种类型的以太网电缆用来实现下列连接主机到交换机或集线器；路由器到交换机或集线器。
交叉线：一端的发送接另一端的接收，用于连接交换机到交换机、集线器到集线器、主机到主机、集线器到交换机、路由器直连到主机。
如果用直通线把两台电脑连接起来，如果不通则是线序的问题。不过现在的网卡都比较智能，可以自动调整线序，现在用直通线连接两台电脑也能通。
无线介质是电磁波传输。无线传输所使用的频段很广。
短波：主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
微波：在空间主要是直线传播。包括地面微波接力通信（发射塔）、卫星通信。

2.6  物理层设备之集线器hub

工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。最大传输距离：100m。集线器是一个大的冲突域，同一时间只能有一台主机发信号。（属于傻瓜设备）

2.7  信道复用技术

包括频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用。这里只介绍最基本的两种。
频分复用FDM：频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
把信号用不同的频率进行调制，叠加之后再传；接收端通过过滤器过滤，分离出不同信号，再分别解调。

时分复用TDM：则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM帧的长度对应的时间）。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。