计算机网络——物理层

通信基础

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

物理层的主要任务：确定与传输媒体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：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表示何种意义，接口部件的信号线的用途
4. 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信的目的是传送消息（语音、图像、视频、文字）
数据data：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，是数据再传输过程中的存在形式

信源：产生和发送数据的源头
信宿：接受数据的终点
信道：信号传输的媒介




用吃面包举例子
一个面包切成八片，一个人吃完——串行传输
一个面包切成八片，找八个人吃完——并行传输
我一直做面包，你得一直吃面包（不管你是一个人吃还是一个团队吃）——同步传输
我随我的心情断断续续做面包，你断断续续吃面包（不管你是一个人吃还是一个团队吃）——异步传输

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(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。例如，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， 另一种代表1状态。

k进制码元——>码元的离散状态有k个——>k种高低不同的信号波形——>可以携带logk bit信息量

带宽

模拟信号系统中:当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)。

数字设备中: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"/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)。

两个公式

失真

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

码间串扰

码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。（传输速率太快了）

奈氏准则

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。

1.在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
2.信道的频带越宽(即能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.奈氏准则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氏准则的制约，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。

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB) 作为度量单位，即:
信噪比(dB) =10log10(S/N)

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。

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.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
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。

编码与调制

基带信号于宽带信号

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

编码与调制

数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码（高1低0）：编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断1个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

2. 归零编码：信号电平在1个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。信道使用率低

3. 反向不归零编码：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

4. 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1;码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)，又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

5. 差分曼彻斯特编码（同1异0）：常用于局域网传输，其规则是:若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

6. 4B/5B：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%。

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而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。

调幅（ASK）、调频（FSK)、调相（PSK）、调幅+调相

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。

1. 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数据，要使用采样定理进行采样: 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，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3. 编码：把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

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。

数据交换方式

电路交换

在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。

报文交换

报文:报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

报文交换的原理:无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。

分组交换（最普遍使用）

分组:大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组(packet)。

分组交换的原理:
分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。

数据交换方式的选择

传输介质&设备

传输介质

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。

导向传输介质

电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播。

1. 双绞线
   
2. 同轴电缆：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。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类: 509同轴电缆和750同轴电缆。其中，50Q同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用; 75Q同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
   
3. 光纤：光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
   

非导向传输设备

自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

物理层设备

中继器

诞生原因:由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

中继器的功能:对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

中继器的两端:两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

中继器两端可连相同媒体，也可以连接不同媒体

中继器两端的网段一定要是同一个协议（中继器不会存储转发，傻！）

集线器（多口中继器）

集线器的功能:对信号进行再生放大转发，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。