计算机网络第二章 物理层
2.1.1 物理层基本概念
物理层基本概念
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。
物理层主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性=》定义标准
特性：
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的规格、接口形状、引脚数目、引脚数量和排列情况。
2.电气特性：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的表示何种意义，接口部件的信号线用途。
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。
2.1.2 数据通信的基础知识
典型的数据通信模型
数据通信的相关术语
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：代表消息的参数取值是离散的。
模拟信号：代表消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。一般用来表示向某个方向传送信息的截止，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。
信道的分类：
三种通信方式
从通信双方的信息的交互方式看，可以有3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。
- 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收，需要两条信道。
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收数据，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。
2.1.3 码元、波特、速率、带宽
码元
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的毕本波形，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大于2），此时码元为M进制码元¿。
1码元可以携带多个比特的信息量。比如在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态。
速率、波特、带宽
速率也叫数据率，也指数据的传输速率，表示单位时间内的传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
1 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（也称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特？（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元速率与进制数无关。
2 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（即比特数），单位是比特/秒。（个人理解：十六进制即4位二进制）。1s传输多少比特。
两者的关系：若一个码元携带 n bit的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为M * n bit/s。
带宽：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”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。
练习题：
2.1.4 奈氏准则与香农定理
失真
失真不一定无法识别，失真有大小，如果太大才会无法识别。
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 其中除4以外都是正相关。
码间串扰
信道带宽：信道带宽是信道能通过的 最高频率和最低频率 之差。
码间串扰：接收端接收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
奈氏准则
在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
主要侧重：：奈氏准则：限制码元传输速率；香农定理：限制数据传输速率（比特率）。
如果偏要求极限数据率呢？
理想低通信道下的极限数据传输率= 2 W l o g 2 V 2Wlog_2V 2Wlog2V(b/s)。其中V代表几种码元/码元的离散电平数目，也就是V进制。
也就是说 奈氏准则并没有对V进行任何限制。
几个特性：
小小练习题：
香农定理
信噪比
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常计为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即信噪比（dB）= 10 l o g 10 ( S / N ) 10log_{10}(S/N) 10log10(S/N)，数值等价。
香农定理
信道的极限数据传输速率= W l o g 2 ( 1 + S / N ) Wlog_2(1+S/N) Wlog2(1+S/N)。
小小练习题：
总结一下
如果两者都能算，那么两个都算出来取最小值，做实际中的最大值。
2.1.5 编码与调制（1）
基带信号与宽带信号
两者都是信道上传送的信号类型。
基带信号：将数字信号1和0直接用2种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。可以是数字信号，也可以是模拟限号，关键在于是来自源，直接表达了要传输的信息的信号。
宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。
编码与调制
编码：将数据转化为数字信号。
调制：将数据转化为模拟信号。
数字数据与模拟数据的相互转化。4种方法，下节详解！
2.1.6 编码与调制（2）
数字数据 编码为 数字信号
（1）非归零编码「NRZ」
直接高1低0，简单实现，无检错，无法判断码元起始，收发双方难以保持同步。
（4）归零编码「RZ」
信号电平在每一个码元内都要恢复到0。码元内是变的。
（5）反向不归零编码「NRZI」
电平翻转表示0，电平不变表示1。（看变化）全1就一直不变了。
（2）曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔，先高后低和先低后高分别表示两种状态。
一个时钟周期内有2个码元，但是只有1个比特，比如码元传输速率是40 Baud，那么数据传输速率是 20 bit/s
（3）差分曼彻斯特编码
同1异0，看相邻的码元的变化。
（6）4B/5B编码
比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，编码效率为80%。
数字数据 调制为 模拟信号
调幅 ASK
调频 FSK
调相 PSK
调幅+调相（QAM）
模拟数据 编码为 数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表
示的离散序列（即实现音频数字化）。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。
它主要包括三步:抽样、量化、编码。
- 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了无失真，与奥使用采样定理进行采样： f 采 样 频 率 > = 2 f 信 号 最 高 频 率 f_{采样频率} >= 2f_{信号最高频率} f采样频率>=2f信号最高频率。（个人理解，横坐标）（对于一个正弦波需要2个点才能确定波形）
- 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转化为离散的数字量。（个人理解，纵坐标）
- 编码：将量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
模拟数据 调制为 模拟信号
基带信号=》宽带：更容易保持自身数据不被损坏
总结
2.2 物理层传输介质
传输介质及分类
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它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，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
传输介质可以分为 导向性传输介质 + 非导向性传输介质。
导向性传输介质 1.双绞线
导向性传输介质 2.同轴电缆
导向性传输介质 3.光纤
传输的是光脉冲，上面两种是电脉冲。
单模光纤与多模光纤
光纤的特点：
非导向性传输介质 - 无线电波，微波，红外线、激光
2.3 物理层设备
中继器
主要功能：再生数字信号（模拟信号是用放大器）
集线器（多口中继器）
功能：再生，放大信号
2.4 总结与重点
