物理层
(一)物理层
物理层接口特性
机械特性
电气特性
功能特性
规程特性/过程特性
(二)通信基础
数据
信号
数字信号
模拟信号
信源
信道
信宿
数据传输方式
串行传输
并行传送
通信方式
同步通信
异步通信
通信模式
单向通信/单工
双向交替通信/半双工
双向同时通信/全双工
码元
宽带
速率
波特率/码元传输速率
比特率/信息传输速率
波特率VS比特率
信道的极限容量
失真
码间串扰
采样定理/奈式准则/奈奎斯特定理(无噪声)
香农定理(有噪声)
编码与调制
基带信号/基本频带信号
带通信号/宽带传输
数字数据编码为数字信号
模拟数据编码为数字信号
数字信号调制成模拟信号
模拟数据调制为模拟信号
数据传输方式
电路交换
报文交换
分组交换
(三)传输介质/传输媒体/传输媒介
导向性传输介质
双绞线/双扭线
同轴电缆
光纤
非导向性传输介质/无线传输介质
(四)*信道复用技术
频分复用(FDM)
时分复用(TDM)
统计时分复用/异步时分复用(STDM)
波分复用(WDM)
密集波分复用(DWDM)
码分复用/码分多址(CDMA)
(五)*宽带接入技术(AN)
(六)物理层设备
中继器(数字信号)
集线器 Hub(模拟信号)
计算机网络
(一)物理层
计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有许多不同方式，物理层考虑怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，尽可能屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，提供服务给数据链路层，数据链路层只需要考虑如何完成物理层的协议和服务。
物理层接口特性
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。
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。
功能特性
指明某条线上的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线(数据线，控制线，定时线等)的用途。
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。
(二)通信基础
数据
传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号
数据的电气或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
数字信号
表示消息的参数取值是离散的。
模拟信号
表示消息的参数取值是连续的。
信源
发送和产生信息的设备或计算机。
信道
信号的传输媒介，表示向某一个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收信道。
单向通信(单工通信)、双向交替通信(半双工通信)、双向同时通信(全双工通信)
有线信道/无线信道(传输介质)
模拟信道/数字信道(传输信号)
信宿
接收和处理信息的设备或计算机。
数据传输方式
串行传输
一个一个比特按时间顺序传输(速度慢，费用低，远距离使用)
并行传送
多个比特通过多条信道同时传输(速度快，费用高，近距离使用，常用于计算机内部数据传输)
通信方式
同步通信
要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等，以便使接收端对收到的比特流的采样判决时间是准确的。
异步通信
发送数据以字节为单位，对每一个字节增加一个起始比特和一个终止比特，共10bit。(增加25%开销，适用于低速设备)
通信模式
单向通信/单工
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。如有线广播电视。
双向交替通信/半双工
通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，也不能同时接收，需要两条信道。
双向同时通信/全双工
通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。
码元
在使用时间域(即时域)的波形表示数字信号时，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，该时长内的信号称为k进制码元，时长称为码元宽度。码元的离散状态有M个时，此时码元为M进制码元。
一码元可以携带多个比特的信息量。
宽带
理想的发送/传输速率
模拟信号带宽和数字信号带宽。表示通信线路允许通过的信号频带范围，即最高频率减去最低频率，单位Hz。
计算机网络中，表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即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”，单位bps。
速率
数据的传输速率，即单位时间内传输的数据量
有波特率(码元传输速率) 和 比特率(信息传输速率) 两种描述方式
波特率/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
表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。
或可理解为脉冲个数或信号变化的次数。
单位为波特(Baud / 码元/s)，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
码元可以由n进制表示。
比特率/信息传输速率
表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位为bit/s。
波特率VS比特率
正常情况下，每比特只能表示两种信号变化(0或1)，看作二进制，每个码元携带1bit信息，此时(二进制下)，波特率等同于比特率。
通过某些手段将信号变化的次数增加，让一个码元携带更多比特，以此提高传输速率。
例如，增加到16种变化(即16进制)那么一个码元携带log₂16=4bit信息（或需要4位表示16进制)。此时(16进制下)，波特率在数量上是比特率的四倍。
比特率 = log₂n x 波特率
信道的极限容量
失真
现实中的信道中的信号波形受码元传输速率，信号传输距离，噪声干扰和传输媒体质量的影响而衰退。
码间串扰
信道所允许的频率范围是有限的，接收端收到的信号中的大部分高频分量衰减，波形失去了码元之间清晰界限(频率过高，无法识别，300Hz～3300Hz)
采样定理/奈式准则/奈奎斯特定理(无噪声)
采样定理:将模拟信号转化为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为W，那么采样频率W(采样)必须大于或等于最大频率W的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。
奈奎斯特定理:在理想低通(无噪声，宽带受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud/s，W是信道带宽，单位Hz(只有香农和奈式时，带宽单位为Hz)
无噪声情况下：码元最大数据传输率为 2W baud
在采样定理和无噪声基础上，理想低通信道下的极限数据传输率C(max) =W(Hz) x log2(N) = 2W x log2(N) (bps) 单位是波特率。
W表示理想低通信道的带宽，N表示每个码元的离散电平的数目。
奈式准则只是给出无噪声情况下，码元传输速率受限，最大传输速率为2w，未对数据传输速率限制(可以无限大)。所以改变log2(N)，即提高带宽或使每个码元携带更多比特的信息量，需要很好的编码技术，来提高数据传输速率C(max)。
香农定理(有噪声)
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，即比特率的上限。
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率
信噪比 (dB) = 10log10(S/N) (dB)
信道的极限数据传输速率C(max) = W(Hz)x log2(1 + S/N) (bps) 单位是比特率
W为信道的带宽(只有香农和奈式时，带宽单位为Hz)
传输带宽和信噪比是固定的，信息传输速率受限，只能通过设法提高传输线路的带宽(不可能无限大)或所传输信号的信噪比(不可能无限大，即无噪声的传输信道或无限大的发送功率)来提高最大数据传输速率。
若题干同时给出信噪比和码元的离散数目，则计算奈式准则和香农定理，取最小值。
编码与调制
编码：数字数据(数字发送器)⇒数字信号
模拟数据(PCM编码器)⇒数字信号
调制：数字数据(调制器)⇒模拟信号
模拟数据(放大器调制器)⇒模拟信号
基带信号/基本频带信号
来自信源的信号。
包含较多低频成分，甚至有直流成分，而信道无法传输该分量，必须通过调制，将基带信号的波形进行变换，即将数字信号转化为另一种形式的数字信号后，适应信道特性。(编码)
将数字信号1和0直接用俩种不同的电压表示，在送到数字信道上传输。(基带传输)
传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号不容易发生变化)
带通信号/宽带传输
将基带信号经过载波调制后形成的频分复用模拟信号。(带通调制)
把基带信号的频率范围移到较高的频段，转化为模拟信号。(仅在一段频率范围内能够通过信道)
距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大最后也能过滤出基带信号)
数字数据编码为数字信号
非归零码/NRZ
用低电平表示0，高电平表示1，或反之。
缺点：无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以保持同步。需要双方拥有一致的时钟频率。
曼彻斯特编码
将每个码元分为两个相等的间隔，
前一个间隔为高电平，后一个间隔为低电平，表示码元1，
前一个间隔为低电平，后一个间隔为高电平，表示码元0。
在每一个码元的中间出现电平跳变，每一个码元被调为2个电平，所以数据传输速率只有调制速率的½。
差分曼彻斯特编码
若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样。
若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。
每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，编码技术复杂，抗干扰性较好。
*归零编码(RZ)
信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式。
*反向不归零编码(NRZI)
信号电平翻转表示0，不翻转表示1。
*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，用5bit编码4bit数据，再传送给接收方，编码效率只有80%。
采样16种对应不同的4位码，剩余的16位作为控制码(帧的开始，结束，线路的状态信息等)
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，需要将模拟信号通过采样，量化转换为有限的数字表示的离散序列(实现音频数字化)
脉冲调制/PCM
对音频信号进行编码，能够达到最高保真水平的编码。
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。
为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟信号，要采用定理进行采样：f采样频率≥2f信号最高频率
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。(即把连续的电平幅值转换为离散的数字量)
编码：把量化结果转化为对应的二进制编码
数字信号调制成模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号(调制)，而在接收端将模拟信号还原为数字信号(解调)
调幅/ASK
载波的振幅随基带数字信号而变化
调频/FSK
载波的频率随基带数字信号而变化
调相/PSK
载波的初始相位随基带数字信号而变化
正交振幅调制(QAM 调幅+ 调相)
例：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，该链路信息传输速率为1200 x ㏒₂(4x4)=4800bps
模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，需要较高的频率，还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。
例如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(即模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输)
数据传输方式
电路交换：传送的数据量很大，且传送时间远大于呼叫时间。
分组交换：当端到端的通路 由很多段的链路组成时。
报文交换和分组交换：提高整个网络的信道利用率，分组交换的时延较小，适用计算机间突发式的数据通信。
电路交换
在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)。
优点：通信时延小，实时性强，有序传输，适用范围广，避免冲突。
缺点：建立时间长，信道利用率低，缺乏统一标准，灵活性差。
报文交换
数据交换单位为报文，报文携带有目标地址，源地址等信息，报文交换在交换结点采用存储转发的传输方式。
优点：无需建立连接，动态分配线路，提高可靠性，提高线路利用率，提供多目标服务。
缺点：转发时间长，要求网络节点有较大的存储空间。
分组交换
分组交换采样存储转发方式，但将一个长报文分割成若干个较短的分组(携带源地址，目的地址和编号信息)逐个地发送。
优点：加速传输，简化存储管理，减少出错几率和重发数据量
缺点：当为数据报时，会出现失序，丢失或重复分组现象
当为虚电路时，虽然无失序问题，但有呼叫建立，数据传输和虚电路释放三个过程。
无连接的数据报
数据报方式优点
发送分组前无需建立连接
网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，有可能丢失。每个分组都被独立处理，所以转发的路径可能相同，因此不一定按序到达。
在具有多个分组的报文中，交换机尚未接收完第二个分组，已经收到第一个分组就可以转发出去，不仅减少时延，而且提高吞吐量。
当某一台交换机或一段链路故障时，可相应的更新转发表，寻找另一条替代路径转发分组，对故障适用能力强。
发送方和接收方不独占某一链路，资源利用率高。
面向连接的虚电路(数据报+电路交换)
主机A先出一个特殊的“呼叫信号”分组，该分组通过中间交换机送往主机B，如果同意连接，主机B就发送“呼叫应答”分组进行确认，虚电路就建立了。
虚电路建立后，主机A就可以向主机B发送分组，由于所有分组都是走相同的路径，因此分组是按序到达的。
分组传输结束后，主机通过发送“释放请求”分组，由网络清除该虚连接。
常见的编码方式
虚电路方式优点
用户之间通信必须建立连接，数据传输过程中不再需要寻找路径，相对数据报方式时延较小。
通常分组走相同路径，分组按序到达主机。
分组首部不包含目的地址，包含虚电路标志符，相对数据报方式开销小。
当某交换机或链路出现故障而彻底失效，所经过该交换机或链路的虚电路遭到破坏。
(三)传输介质/传输媒体/传输媒介
数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
传输媒体不是物理层。
传输媒体在物理层下面，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零层。
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。
物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
导向性传输介质
双绞线/双扭线
把两根互相绝缘的导线采用一定规则并排绞合，可以减少对相邻导线的电磁干扰。
特点是既可以传输模拟信号又可以传输数字信号，超远距离传输时，对模拟信号，要用放大器放大衰减信号。对数字信号，要用中继器整形失真信号。
无屏蔽双绞线UTP
屏蔽双绞线STP：双绞线外加上金属丝编织的屏蔽层，以提高抗电磁干扰能力。
同轴电缆
由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。
比双绞线的抗干扰能力强，因此传输距离更远，价格较贵。
根据特性抗阻数值分为:
50欧同轴电缆/基带同轴电缆:传送基带数字信号(局域网)
75欧同轴电缆/宽带同轴电缆:传送宽带信号(有线电视系统)
光纤
利用光导纤维传递光脉冲进行通信。
光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲作用下能产生光脉冲。
在接收端用光电二极管做成光检测器，检测到光脉冲时还原出电脉冲。
频带宽 衰减小 速率高 体积小 抗雷电电磁干扰 误码率低 质量轻 保密性强…
单模光纤：一种在横向模式直接传输光信号的光纤。使用昂贵的半导体激光器，直径为一个光波的波长，不会发生多次反射，衰减小，适合远距离传输。
多模光纤：有多种传输光信号模式的光纤，利用光的全反射，光源为发光二极管，光脉冲在传输过程中逐渐展宽而失真，适合近距离传输。
非导向性传输介质/无线传输介质
(四)*信道复用技术
用户通过复用技术可以共同使用一个共享信道进行通信，需要付出一定的代价成本(共享信道由于带宽较大而费用较高，加上复用器和分用器成本)，复用信道数量较大，则经济上合算的。
频分复用(FDM)
给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法，组合多个信号的硬件为复用器，分离这些信号的硬件为复用器。
时分复用(TDM)
把多个信号复用到单个硬件传输信道，它允许每个信号在一个很短的时间使用信道，接着再让下一个信号使用。
统计时分复用/异步时分复用(STDM)
一种改进的时分复用，能明显地提高信道的利用率，STDM帧不是固定分配时限，而是按需动态分配时隙，可以提高线路利用率。
波分复用(WDM)
即光的频分复用。
借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很近的光载波信号，光纤的传输能力成倍提高，由于光载波的频率很高，习惯上用波长表示所使用的光载波(不用频率)。
密集波分复用(DWDM)
波分复用的一种具体表现形式。
DWDM波长间隙很小，不到2nm，甚至小于0.8nm。
可以把几十路甚至一百多路的光载波信号复用到一根光纤中传输。
目前WDM系统几乎全部是DWDM系统。
码分复用/码分多址(CDMA)
一种共享信道的方法。
每个用户可以在相同的时间使用同样的频带进行通信。各用户使用通过特殊挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。
(五)*宽带接入技术(AN)
非对称数字用户线ADSL技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载宽带业务。将0-4KHz低端频谱留给传统电话使用，把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
数字用户线DSL类型：
ADSL：非对称数字用户线
HDSL：高速数字用户线
SDSL：1对线的数字用户线
VDSL：甚高速数字用户线
DSL：用户数字线
RADSL：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率
ADSL传输距离
取决于数据率和用户线的线径(用户线越细，信号传输时的衰减就越大)
ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。
ADSL特点
上行和下行带宽不对称。
目前采用离散多音调DMT调制技术。(多音调即多载波，多子信道)
三大组成部分
数字用户线接入复用器
ADSL调制解调器/接入端接单元ATU
电话分离器
离散多音调DMT调制技术
采用频分复用的方法，把40KHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道。
其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道。
每个子信道占据4.3125KHz带宽(约4kHz)并使用不同的载波(即音调)进行数字调制。
相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行传送数据。
ADSL数据率
由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一-个频率上测试信号的传输质量。
ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。
通常下行数据率在32 kbit/s到6.4 Mbit/s之间，而上行数据率在32 kbit/s到640 kbit/s之间。
(六)物理层设备
最简单的，俩台计算机通过两块网卡和非屏蔽双绞线充当信号线，构成双机互连。由于双绞线最大传输距离为100m，信号功率会逐渐衰减至一定程度而失真，故两台计算机之间安装一个中继器，将衰减信号经过整理，调整信号的波形和强度，重新产生完整信号继续传送。
中继器(数字信号)
双绞线最大传输距离为100m，超出该距离，为实现双机互连，在俩台计算机之间按照中继器，将已经衰减得不完整的信号进行再生和还原，产生出完整的信号继续发送。
中继器的俩端部分是网段不是子网，适用于完全相同的俩类网络的互连，且网段速率相同。
俩端可以连接不同的传输媒体，但一定要是同一个协议
集线器 Hub(模拟信号)
一种多端口的中继器，对信号进行放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备(广播)。
集线器以星形拓扑结构组成一个更大的冲突域，而不能分割冲突域，所有工作主机平分带宽。(易冲突，效率低)
一般有4、8、16、24、32等数量的RJ45接口，通过接口完成相应数量的计算机的信号转发功能，实现多台计算机之间的互联互通。
通信工程：
计算机1 将一条信息发送给计算机8，计算机1的网卡将信息通过双绞线送到集线器上，集线器将信息广播发送给其他7个端口，其他七个端口的计算机接收到后进行检查，若不是发给自己则丢弃。
通过中继器或集线器连接起来的几个网段仍然是局域网。
使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议(该协议会在数据链路层讲解)并共享逻辑上的总线。