笔记 计算机网络之物理层

一、物理层的基本概念

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。
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性（定义标准）：
（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规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
（2）电气特性
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表示何种意义、接口部件的信号线的用途。如：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义
（4）过程特性
定义各条物理线路的工作规程和时序关系

二、数据通信基础知识

典型的数据通信模型
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
（1）数字信号：代表消息的参数取值是离散的
（2）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
新宿：接收数据的终点
信道：信号的传输媒介。一般用来表示某一方向传送信息的介质。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。
（1）根据传输信号分。模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）
（2）根据传输介质分。无线信道 有线信道

三种通信方式

（1）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
（2）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受，需要两条信道。
（3）全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

两种数据传输方式

（1）串行传输 速度慢，费用低，适合远距离
（2）并行传输 速度快，费用高，适合近距离

三、 码元、波特、速率、带宽

(1)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基本波形，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，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。
(2)速率：指数据的传输速率，表示安慰时间内传输的数据量。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：表示单位时间内数字通信系统传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）
2.信息传输速率：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（b/s）
(3)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b/s

四、奈奎斯特准则和香农定理

（1）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
（2）码间串扰
（3）奈奎斯特准则：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
注：只有在这两个公式中带宽才用Hz
结论1.在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对马原的完全正确识别成为不可能
2.信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率进行码元的有效传输）
3.奈奎斯特定理给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
4.由于码元的传输速率受奈奎斯特准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法
（4）香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
Wlog₂（1+S/N）（b/s）
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，长及为S/N，并用分贝dB作为度量单位
信道比（dB）=10log₁₀（S/N）
结论：1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
2.对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
4.香农定理得出的极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比他低不少
5.从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

五、编码和调制

（1）信道：信号的传输媒介。 一般用来表示向某一方向传送信息的介质，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。
按传输信号分：模拟信道和数字信道
按传输介质分：无线信道和有线信道
信道上传送的信道：
1.基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。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
2.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）。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传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
注：在距离较近的时候。采用基带传输方式（近距离栓减小，从而信号内容不易发生变化）
在传输距离较远时，采用宽带传输方式（远距离衰减大）即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号

数字数据编码为数字信号

（1）不归零码（NRZ）（2）曼彻斯特编码（3）差分曼彻斯特编码（4）归零码（5）反向不归零编码（NRZI）（6）4B/5B编码

（1）不归零码（NRZ）：高1低0
（2）曼彻斯特编码：如定义从低电平到高电平为0，反之为1.数据传输速率只有调制速率的1/2
（3）差分曼彻斯特编码:在曼彻斯特编码基础上增加了电平翻转的特性，抗干扰性强于曼彻斯特编码。比较的是比特的前沿，有翻转为0，没有翻转为1.两个效率都只有50%
（4）归零码：信号电平在一个码元之内都要恢复到0
（5）反向不归零编码（NRZI）：信号电平反转表示0，不变表示1
（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，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B.编码效率为80%
只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留

数字数据调制为模拟信号

在发送端将数字信号转换为模拟信号，在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

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（即实现音频的数字化）
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。
1.抽样：对模拟信号周期信扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。采样定理：f采样频率>=2f信号最高频率
2.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，这就把连续的电平复制转换为离散的数字量
3.编码：把量化的结果转换为对应的二进制编码

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

六、物理层的传输介质

传输介质也称为传输媒体或传输媒介，他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
注：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第0层。在传输媒体中传输的是信号，但在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。
传输介质分为1.导向性传输介质：电磁波导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播
2.非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气，真空，海水等

导向性传输介质

双绞线

由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。

同轴电缆

光纤

光纤的特点：1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性能好
3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或窃取数据
4.体积小重量轻
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非导向型传输介质

无线电波（信号向所有方向传播）

较强的穿透能力，可传远距离，广泛应用于通信领域（如手机通信）

微波（信号固定方向传播）

微波通信频率高、频段范围宽，因此数据率很高
（1）地面微波接力通信
（2）卫星通信 优点：通信容量大、距离远、覆盖广、广播通信和多址通信 缺点：传播时延长（250-270ms）、受气候影响大（强风、太阳黑子爆发、日凌）、误码率较高、成本高

红外线、激光（信号固定方向传播）

把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

七、物理层设备

中继器

集线器