计算机网络第二章复习笔记（物理层）
一、物理层概念
确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
（1）机械特性：描述接线器的形状。引脚数目和排列。线序的描述。
（2）电气特性：指明在接口电缆的个条线上出现的电压的范围。
（3）功能特性：指明某条线上出现的电压的意义。
（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
二、数据通信的基础知识
一个数据通信系统可以划分为三的部分：
源系统（发送端，发送方）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端、接收方）
源系统一般包括以下两个部分：
源点：源点设备产生要传输的数据
发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。
目的系统一般包括以下两个部分：
接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把他转换为能够被目的地设备处的信息
终点：终点设备从接收器获取来的数字比特流，然后把信息输出，终点又称为目的站或信宿。
根据信号中代表信息的取值方式不同，信号可分为以下两大类：
（1）模拟信号，或连续信号：代表信号是连续的
（2）数字信号、或者离散信号：代表信息是离散的
三、有关信道的几个基本概念
（1）单向通信：又称为单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互（无线广播，电视广播）
（2）双向通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息。但不能双方同时发送
（3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方都可以同时的通信。
注意：来自信源的信号都属于基带信号（即基本频带信号）。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。基带信号往往都包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频量或直流分量。为了解决这个问题，就必须对基带信号进型调制。
调制可以分为两大类：
-
1、仅仅是对基带信号的波形进行变换，使他能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然为基带信号，这类调制称为基带调制。
- 数字信号转换为另一种形式的数字信号这类操作称为编码 -
2、需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能很好地在模拟信道中传输（带通调制）
常见的编码方式
- 不归零制（NRZ）：正电平代表1 ，负电平代表0
- 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
- 曼彻斯特：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1，但也可以反过来定义
- 差分曼彻斯特：在每一位的中心处，始终都有改变，位开始边界有跳变代表0，没有为1
基本的带通调制方法
1、振幅调变，简称为调幅，，通过改变输出信号的振幅，来实现传送信息的目的。一般在调制端输出的高频信号的幅度变化与原始信号成一定的函数关系，在解调端进行解调并输出原始信号。
2、调频就是对无线电进行信息加载，得到调制波。它是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式，通过利用载波的不同频率来表达不同的信息。
3、调相是载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式相。调相和调频有密切的关系。调相时，同时有调频伴随发生；调频时，也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同。
调解：把数字变为模拟信号
编码：把数据变为数字信号
物理层下的传输媒体
1、导引型传输媒体
双绞线：最常用的传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一 般为几到十几公里。 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) ，带金属屏蔽层 ， 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)。
同轴电缆
是指有两个同心导体,而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成。
光缆
光波在纤芯中的传播
光纤优点：
（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
（2）抗雷电和电磁抗干扰性能好
（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃或截取数据
（4）体积小，重量轻
2、非导引型传输媒体（自由空间，）
前面介绍了三种导引型传输媒体。但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿，IRS21844S有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种的通信。由于这种通信方式不使用上一节所介绍的各种导引型传输媒体，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
微波接力通信：
可以传输电话，电报，图形，数据等等
特点： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量大
微波传输质量高，抗干扰性强
缺点：
(1)相邻站之间必须直视(常称为视距LOS Line Of
Sight)，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
(2)微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
(3)与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
(4)对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。可见卫星通信的主要优缺点大体上应当和地面微波通信差不多。
卫星通信
卫星通信的特点
通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步地球卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千多公里，面积约占全球的三分之一。只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。
和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。为了避免产生干扰，卫星之间相隔如果不小于2度，那么整个赤道上空只能放置180个同步卫星。好在人们想出来可以在卫星上使用不同的频段来进行通信。因此总的通信容量资源还是很大的。
卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延由于各地球站的天线仰角并不相同，因此不管两个地球站之间的地面距离是多少(相隔一条街或相隔上万公里)，从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延在250-300 ms之间。一般可取为270 ms。这和其他的通信有较大差别(请注意：这和两个地球站之间的距离没有什么关系)。对比之下，地面微波接力通信链路的传播时延一般取为3.3 us/km。
三、信道复用技术
同步通信：将收发双方的时钟频率调成一致，不断地接受和发送比特流
异步通信：发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔是可以任意的，接收方随时准备接收
频分复用：将宽带划分为多个子信道，每个信道传输一路信号（所有用户在同样的时间占不同的带宽资源）
时分复用：在不同的时间段发送不同的信号，以实现多路传输的作用（所有用户在不同的时间占相同的频带宽度）
波分复用：就是光的频分复用，在一条光纤上传输光载波信号
码分复用：用一组包含互相正交的码字的码组来传输多路信号。
设备：
中继器：将信号放大再转发
集线器：多端口中继器，作用与中继器相似
带宽接入技术
ADSL技术是一种不对称数字用户线实现宽带接入互连网的技术，ADSL作为一种传输层的技术，充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上提供上行640kbps下行8Mbps的带宽，从而克服了传统用户在"最后一公里"的"瓶颈"，实现了真正意义上的宽带接。
特点：
ADSL技术的主要特点是可以充分利用现有的铜缆网络（电话线网络） [1] ，在线路两端加装ADSL 设备即可为用户提供高宽带服务。ADSL的另外一个优点在于它可以与普通电话共存于一条电话线上，在一条普通电话线上接听、拨打电话的同时进行ADSL传输而又互不影响。用户通过ADSL接入宽带多媒体信息网与WWW，同时可以收看影视节目，举行一个视频会议，还可以很高的速率下载数据文件，这还不是全部，你还可以在这同一条电话线上使用电话而又不影响以上所说的其它活动.安装ADSL也极其方便快捷。在现有的电话线上安装ADSL，除了在用户端安装 ADSL通讯终端外，不用对现有线路作任何改动。使用ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线）技术，通过一条电话线，以比普通MODEM快一百倍,浏览因特网，通过网络学习、娱乐、购物，享受到先进的数据服务如视频会议、视频点播、网上音乐、网上电视、网上MTV的乐趣，已经成为现实。
例题
1、如图所示的采用"存储-转发"方式分组的交换网络中所有链路的数据传输速率为100Mbit/s，分组大小为1000B，其中分组头大小为20B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送到H2接收完为止，需要的时间至少是（ ）
正确答案: D
答案解析：已知分组大小为1000B，其中分组头大小为20B，可以得出每个分组的数据部分为980B，所以大小为980000B的文件应该分为1000个分组传送，每个分组1000B（包含头部20B），所以一共需要传送1000000B的信息，而链路的数据传输速率为100Mbits，即12.5MB/s，所以主机H1传送完所有数据需要的时间为1MB/12.5MB/s=80ms。此时恰好最后一个分组从主机H1出去，还没有被主机H2接收，而一个分组从主机HI需要经过两次存储转发才能到达主机
H2（不考虑传播时延），需要用时为2x1000B/12.5MB/s=0.16ms。综上所述，总共用时为80ms+0.16ms=80.16ms。
2、在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4 种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是（ ）
提示：奈氏准则公式为C=2Wlog2V，其中W为带宽，V为码元的种类或者多少种状态
A. 24kbit/s
B. 12kbit/s
C. 96kbit/s
D. 48kbit/s
正确答案: A 答案解析：题目中已经给出最大频率为3kHz
（在模拟信号中，带宽可以看成是最大频率），所以需要2W=6kHz的采样频率；已知采用4个相位，并且每个相位有4种振幅，也就是说可以表示16种状态，该通信链路的最大数据传输速率Cmax=2Wlog2V=23*log216=24kbit/s。
3、若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少是（ ）
注：db与S/N的换算方法为 db=10log10（S/N）
A. 4
B. 16
C. 32
D. 8
正确答案: C
答案解析：可用奈奎斯特采样定理计算无噪声情况下的极限数据传输速率，用香农第二定理计算有噪信道极限数据传输速率。2Wlog2V≥Wlog（1+S/N），W是信道带宽，N是信号状态数，S/N是信噪比，将数据代入计算可得N≥32，选D。分贝数=10log10S/N
4、不含同步信息的编码是（ 非归零码 ）
5、承载信息量的基本信号单位是 码元
6、 (单选题,2.0分)在计算机网络中，表征数据传输有效性的指标是（ B ）
A. 误码率
B. 传输速率
C. 频带利用率
D. 信道容量
7、属于物理层的设备是（ ABD ）
A. 以太网交换机
B. 桥
C. 中继器
D. 网关
8、当集线器的某个端口收到数据后，其动作为（ B ）
A. 根据目的地址从合适的端口转发出去
B. 从除了输入端口外的所有端口广播出去
C. 从所有端口广播出去
D. 随机选择一个端口转发出去
9、关于中继器和集线器的说法中，不正确的是（ ）
A. 都可以对信号进行放大和整形
B. 通过中继器或集线器互联的网段数量不受限制
C. 中继器通常只有2个端口，而集线器通常有4个或更多端口
D. 都工作在物理层
正确答案: B
答案解析：通过中继器或集线器互联的网段数量受到限制，需要遵循5-4-3原则，所谓5-4-3规则，是指任意两台计算机之间最多不能超过5段线（包括集线器到集线器的连接线缆，也包括集线器到计算机之间的连接线缆）、4台集线器，其中只能有3台集线器直接与计算机或网络设备连接。这是10Base-T网络所允许的最大拓扑结构和所能级联的集线器层数。其中，安装在中间的集线器是网络中惟一不能与计算机直接连接的集线器。计算机发送数据后，如果在一定时间内没有得到回应，那么，将认为数据发送失败。
10、下图中画出曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图，实际传送的比特串为（ C ）
A. 1 0 0 1 0 1 1 0 0
B. 1 0 0 0 0 1 1 0 1
C. 0 1 1 0 1 0 0 1 1
D. 0 1 1 1 1 0 0 1 0
11、一个传输数字信号的模拟信道的信号功率是0.62W，噪声功率是0.02W，频率范围为3.5～3.9MHz，该信道的最高数据传输速率是（ ）
A. 8Mbit/s
B. 2Mbit/s
C. 4Mbit/s
D. 1Mbit/s
正确答案: B
答案解析：计算信噪比S/N=0.62/0.02=31，带宽W=3.9MHZ-3.5MHz=0.4MHz，由香农公式可知，最高数据传输速率C=Wlog2（1+S/N）=0.4MHz*log2（1+31）=2Mbit/s。
12、集线器连接的网络在拓扑上属于（ ）型结构
1、 (判断题,1.0分)时分多路复用中，每个子信道在自己的时间片内可以使用全部带宽（ ）
A. 对
B. 错
√
2、根据香农定律，给定任意一个信噪比确定的模拟信道，其容量没有上限（× ）
A. 对
B. 错
3.、频分多路复用必须保证各路信号互不重叠（ √）
