【计算机网络】第二章：物理层（Part1：数据通信和传输媒体）

计算机通讯中，要把传输的数据变成电信号/光信号/无线信号来通过铜线/光纤/无线介质来传。物理层就是讲如何让介质、链路更快的传这些信号。

线缆有光纤、铜线。我们平常接触的双绞线和电话线，内部就是铜线。在介质中传播的信号可以是电话、影视、报文/传真等多种信号。集线器/交换机相连的线缆长度最长不超过100m

物理层的基本概念

机械特性：对应计算机网络设备接口的标准。规定了这些标准之后，企业就可以按照标准来生成，即便是不同厂家生产的，不同设备之间也具备兼容性。

串口线（广域网接口）:规定了广域网不同网络有多少针口。如图中间的四个串口图表示。
双绞线（局域网接口）:从左到右的的连接标准是两个两个绕在一块的。线序是橙白-橙；绿白-蓝；蓝白-绿；棕白-棕。水晶头用于连接这些线，然后就能接网卡了。这是以太网的连接标准。

电气特性：线路上电压的工作范围。比如0~10V ,0~15V。
功能特性：在电信号中，我们要求电压的高压值代表1，低压值代表0。 每一种设备都有对应的要求，这样避免了接口能接上但是出现冲突的问题。

A厂家的0V代表0，B厂家的-5V代表0，这两个厂家的接线即便接到一起，也不匹配，无法工作。

过程特性：规定了线缆的工作时序和工作顺序。

在两台设备之间接两条线缆，一条负责同步时钟频率，一条负责传递数字信号。规定功能特性的同时令不同线缆之间相互配合就是过程特性。

满足上述条件才能保证不同厂家之间的相互兼容。也就说物理层实现的功能就是接口标准化。

数据通信基础

数据通信中，可以通过介质（无线，通线，光纤）传播模拟/数字信号。

数据通信模型

局域网通信模型：计算机通过集线器或交换机直接相连。计算机的网卡发出的信号是数字信号，交换机和集线器会把哲学数字比特流通过介质传递到另一个设备的网卡中。

广域网通信模型1：发送端发出数字信号，数字信号不适合长距离传输。此时通过调制解调器将之变成模拟信号，模拟信号能够长距离传输。然后在接收端会通过调制解调器再将之变为数字信号以供网卡接收。为了让电话线更快更多传输数据，可以通过频分复用来操作。
广域网通信模型2：与1相比，中间的信号变化改为用光信号传输，对应设备也变成了光电转换器。在这里可以用波分复用技术来强化光信号的传播速度。

---

信息是用户能够直接理解，想要知道的、有价值的物品。而计算机无法理解和搬运这些物品，必须将这种物品依照某种法则改为计算机能够识别的数据，然后再通过数据通信技术传递到接收端。 信号是用来传递数据的，数据是用来承载信息的。

模拟信号：随着时间的变化，取值是连续的。又称为连续信号
数字信号：数据的取值是有跳变，中间没有过渡。又称为离散信号。在数字信号中，低电压代表0，高电压代表1。但是并不代表数字信号只有两种取值，随着进制提高，其可以取的值会增加，只不过值的变化是跳变而不是渐变。
码元：码元是一个单位信号的长度。码元的取值范围越大，承载的进制越高。码元的进制定义是由几位二进制数构成，比如最大值111是八进制码元，1111就是十六机制码元，以此类推。

数字信号和模拟信号

模拟信号：真实反映了数值的变化和状态，但是网络中传输中容易受到干扰，且无法纠正。
数字信号：即便受到干扰，有一定程度的失真，后续通过再生可以修正。抗干扰能力强。

现在的电视都是数字电视，基本不会出现观看中花屏的问题。但是90年代的电视是模拟电视，那时候是一打雷下雨，信号接收不良，电视就会出现花屏（黑白相间雪花状的表现）。

所以，结合来使用的话，就是用反应数值变化更佳的模拟信号来作为原数据传输，传输过程中转化成数字信号来增强抗干扰性，然后最后转化成模拟信号反馈给电视观众。但是这个过程中仍然是有失真的，如果想要更真实的表现这一段模拟信号，那么采样频率应该尽可能高、单位码元取值尽可能更多。

下载音乐时，同一个音乐会有不同的选项。比如流畅、高清、超品。品质越高，其大小越大。这就是在音乐下载时，采样频率高和低的区别。越高，越趋近于原版音质；越低，失真率和瑕疵越多。

信道和调制

信道的概念

一个发送端，一个接收端，中间的用于传播信号的路径就是信道。假设两个设备间用铜线相连，在该介质中传递模拟信号。这个模拟信号就有一个频率，每秒震荡多少次，震荡10次就是10Hz。且这个频率是由范围的，太高太低都不行。

**信道复用:**只要在AB两端加上过滤器，可以令AB同时发送信号给对方来完成交互，只需要调整频率不同即可，一个高频一个低频，两个频率虽然会在信道中叠加碰撞，但是只要在过滤器就能过滤出某一频率的模拟信号并忽略其他频率的信号。信道复用是一个物理电路，可以供多个信道使用的技术。

ADSL上网：下载速度明显快于上传速度，其实就是因为下载信道多，上传信道少。对比上面的例子就是还有一条新不同于上述两种频率的信道用于A到B的传输，也就说A到B有两条信道可以传数据，自然比只有一条信道的B-A路线传数据快得多。

---

通讯模式：单工，半双工，全双工
单工：只能发不能收，通讯是单方向的。这种情况在网络中比较少，比如收音机和老式有线电视（不能点播视频，只能固定接收电视台）
半双工：可以发，可以收，但是单位时间内只能发或者收。比如对讲机和集线器联网（不能同时收发，会有占线冲突）。
全双工：可以同时收发，比如打电话,交换机联网。
计算机领域更多使用的半双工和全双工。

调制技术

调制：为了让信号源发出的信源信号能够传播的更远，吧信源信号（一般频率较低）加载到高频信号中，高频信号可以远距离传输。
解调：接收端收到高频信号后，过滤掉高频信号还原出低频信号，收到想要的信息。

典例：收音机。 电视塔是发送端，收音机是接收端。

在计算机领域，计算机网卡发出的信源信号称之为基带信号。基带信号是数字信号。
为了传输便利而重写数字信号以便于适应信道的调制方式 称为基带调制，又称编码。
为了远距离传输，需要调制基带信号到模拟信号，然后在接收端解调，在失真尽可能小的情况下还原出数字信号的是带通调制。

---

编码格式

曼彻斯特编码：0是从低压跳到高压，1是从高压跳到低压。自带时钟信息且可以表示数据终结。
缺点：码元两个才能表示一位二进制数，数据传输速率加倍。

差分曼彻斯特编码：高低跳变不由01决定，由前一位的码元决定。如果当前码元是1，则不立刻跳变，在信号中间部分跳变。反之，如果当前码元是0，则立刻跳变。不论怎样，都会在中间部分跳变，区别是开始的点。
缺点：码元两个才能表示一位二进制数，数据传输速率加倍。

不归零码

高电压表示1，低电压表示0.单双极表示是否有负值。
缺点：连续性读取问题。长时间的电压不跳变可能出现的问题：
1.对于单极性编码，因为低电压表示0，假设数据传输完后，后面没有数据了，那么电压自然均为0，那么这时候接收端识别是读取0还是终结？这是一个矛盾点。
2.所有不归零码在连续字段的读取上，如果时钟时间不同步，就会出现读取误差。

归零码：

出现1，立刻出现一个高电压波形，但是不管后面是否还是1，都会立刻归零。解决了不归零码的0和和终结的无法区分问题。这种方式自带始始终信息。
缺点1.对于单极性编码，因为低电压表示0，假设数据传输完后，后面没有数据了，那么电压自然均为0，那么这时候接收端识别是读取0还是终结？这是一个矛盾点。
缺点2.浪费了部分带宽，因为这里0这个电压没有任何意义，表示意义的部分只有上升和下降部分。

带通调制：

用振幅的频率来区分高低电压，用正余弦波形来表示跳转变化。

信道的极限容量

这里的信道是用物理链路表示的。 干扰因素：电磁干扰，热干扰等

出现失真的的原因：码元传输的效率越高，速度越快，频率越高。码元越容易因干扰而无法识别。 也就说如图所示的第二种波形，在相同干扰下受到干扰仍然能够比较清晰的展现数据，第一种波形相较于第二种波形抗干扰能力比较差，但是也能识别。比第一种频率更高，码元从图上直观感受越短的，越容易因干扰而无法识别。

信道带宽：和之前说的带宽不同，是能够通过的模拟信号的最高频率减去最低频率。高于最高值和低于最低值都无法通过介质成功接收。

数字信号也是由很多个叠加的模拟信号生成的。如图所示，通过不断的叠加，来让近似于方波的模拟波不断趋近于可识别的数字信号。一个数字信号里由多个模拟信号构成。

码元传输上限：上面说到，数字信号由基波叠加若干谐波组成。而任一介质都有其模拟信号频率的传递上限。那么也就意味着假如说能够通过某介质的最大频率临界值是4000Hz,也意味着传输的数字信号绝对要小于这个值而不可能等于这个值。因为基波如果是临界值，叠加谐波后的数值一定要远大于原数值。所以码元传输存在一个上限值。

奈氏准则

如图所示，信号通过信道后变得圆滑，是因为高频波无法通过介质被过滤掉了。
码间串扰：因干扰而失真的信号的失真现象。
奈氏准则：信道的频带越宽，意味着单位长度下可容纳的码元越多，信号频率越高。那么在这种情况下，相较于低频的信道，可以更高效的传递码元。理想情况下最高传递速率为2W Baud（波特）。图中标识了各字母代表的意义。

在介质确定的情况下，单位时间内可以传播码元的数量也是确定的。那么既然单位时间内传输码元的数量确定，能否提高数据的传输效率呢？

如果是1位二进制码元，一个码元承载0或者1，码元的传输速率和数据传输速率就是相等的。如果想让1码元你承载更多的信息量：

如图所示，接收端可以根据电压的高低来识别数据。也就说假如说带宽是10M，那么使用这种方式，三位二进制的话带宽就相当于变成了30M，因为1单位码元代表了3位二进制。
但是码元并不是承载的数据越多越好，因为如果在电压固定的情况下，位越多意味着彼此电压值区分越小，受到干扰后码间串扰就会越严重。也就说，想要传输更多的数据且尽可能减少码间串扰，应该增加发送功率。比如0-10V的图像，改成0-20V。整个图像纵坐标就相当于拉伸到原来的两倍，彼此之间的电压差会相对之前吧比较明显，这种时候相同的干扰下可识别的信息会变多。同时降低干扰当然也能减少码间串扰。所以链路上的最高传输速率和信号的发送功率，信道干扰，W理想信道的带宽有关。

香农公式

计算信道传输速率的方法。

传输媒体

传输媒体分为两类，导向传输媒体和非导向传输媒体。导向传输媒体是类似光纤这种顺着链路传输数据，非导向传输媒体是类似无线一样向周围放射信号并不随固定链路传输。
双绞线：8根线，两两缠绕。

T56B又称为直通线，用于接交换机、集线器这样的设备。直通线允许线缆两端均为同一种线序T56B。
交叉线是一段T56B一端T56A。线缆两端的排线方式不同。比如两台PC的网卡是同一型号，每个网卡都有接收端和发送端两个接线口，如果用直通线就会变成发送-发送，接收-接收的接线方式，所以此时需要交叉线，发送-接收，接收-发送。对应。

交换机与设备，路由器的连接都是使用直通线，路由器相当于有网卡的功能。交换机的口在造的时候已经调整过线序，所以可以直接使用直通线连接。但是交换机接交换机时，因为是同种设备，相连时需要用交叉线。
现在很多设备可以协商，线序就没那么重要了。新型计算机可以不用太关注了。

全反线：路由器用于调设备的线，两个端口的接线方式必须完全相反。

屏蔽层可以一定程度屏蔽电磁干扰。这个屏蔽层也应用于电梯中，比如很多人打着电话进电梯，进去后信号就不好甚至中断了。
国际标准：

同轴电缆&光纤

现在很少用于计算机网络，但是有线电视还有很多在使用同轴电缆。如下图的上半部分，也有绝缘层

光纤：令光信号的传播实现跨越阻挡介质和转弯的功能。（光射线是直线传播，传播路径中的阻挡物会导致光的隔断，光纤就是在很细的线缆里给光提供了折射的通路，令光能够在介质之间传播）

低折射率的射线会被包层吸收，而高折射率的媒体会因全反射继续向远处传播。

多模光纤可以允许多个信号在光纤内传输，可以实现交互（接收端与发送端的信息交互）以及多信息发送或接受。因为入射角不同会导致最终的接收端识别处接收信号的位置不同。
单模光纤，不再全反射传输。只能传固定波长的光纤，传播效率会比多模光纤更好。

光纤的特点：

无线传输媒体

这一小节定义性质的东西比较多，总的来说有三个知识点需要有个印象（记忆）。
1.无线电频段。频率和波长的关系，传播范围等。
2.短波通信，需要电离层来覆盖大范围传输
3.微波通信，需要中继站来覆盖大范围传输，微博信号会直接穿过电离层。
根据无线电的频段，应用领域也不同。
无线电频段


短波通信
短波通信就是高频通信，主要靠电离层的反射来传播。这种通信受电离层影响大，雷雨天受影响明显。特点是通过电离层能够实现全球范围内通信。

微波通信


另一种方式：同步卫星实现微博中继