计算机网络笔记2 物理层

计算机网络系列笔记目录

• 计算机网络笔记6 应用层
• 计算机网络笔记5 运输层
• 计算机网络笔记4 网络层
• 计算机网络笔记3 数据链路层
• 计算机网络笔记2 物理层
• 计算机网络笔记1 概述

文章前言

站在巨人的肩膀上，让知识的获得更加容易！本文为立足B站最火的湖科大教书匠计网课程和王道课程的笔记，以及前人计网博客笔记，综合自己理解，梳理的一系列完整的笔记！如果您觉得文章对您有帮助记得⭐️，有不足之处欢迎指出，评论和私信会在第一时间回复。或者直接私信我。

• 学习视频来源： 计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）yyds
• 课件pdf来源：评论区up bili_68567544整理目录分享
• 参考文章：https://blog.csdn.net/weixin_45067603/article/details/107053479及百度百科、知乎等

课程相关资源（课件、PDF文档、仿真软件）稍后有时间整理后会分享链接到评论区自行下载

本文思维导图

一、物理层概述

物理层是让数据比特流在各种连接各种计算机的传输媒体上传输。为此该层协议主要任务就是规定一些具有机械的，电子的，功能的和过程的特性。

• 连接各种计算机的传输媒体：指光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式(稍后详细介绍)。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

二、物理层的传输媒体

传输介质分为导向性传输介质和非导向性传输介质

导向性传输介质	电磁波沿着固体媒介（铜线or光纤）被导向传播
非导向性传输介质	自由空间，如空气，水等等

2.1 导引型传输媒体

包括同轴电缆、双绞线、光纤、电力线等，下面逐一介绍
同轴电缆

双绞线

光纤


电力线

2.2 非导引型传输媒体

包括无线电波，微波，红外线和可见光等

无线电频谱管理机构
中国:工业和信息化部无线电管理局(国家无线电办公室)
美国:联邦通讯委员会FCC

三、物理层的传输方式

3.1 串行、并行传输

串行传输 速度慢，省钱，适合远距离；
并行传输 速度快，耗钱，适合近距离，一般来说计算机内部如CPU、内存之间通常采用总线形式，常见有32位、64位；

3.2 同步、异步传输

同步就是指收发双方在时间基准上保持一致的过程。异步传输和同步传输是指两种采用不同同步方式的传输方式

异步传输以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。

同步传输以稳定的比特流的形式传输，要采取技术使收发双方的时钟保持同步（外同步或内同步）

3.3 单工、半双工、全双工

单工通信(Simplex): 只能一个发一个收，如收音机
半双工通信(half-duplex):都可以发或者收，但是同一时间只能进行一个，如
全双工通信(duplex):都可以同时收发数据，如通话

四、物理层的数据通信

4.1 数据通信相关术语

码元（Symbol）
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形。当有多个离散状态时，成为M进制码元
一个码元可以携带多个比特的信息

波特（Baud）
用来指一秒可以传输多少个码元
速率
分为码元传输速率和信息传输速率
信息传输速率就是b/s，就是我们平常说的网速
码元可以理解为几个比特的集合，所以信息传输速率（网速）=码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）
码元所带信息量（比特数）=log2（码元进制数）
带宽（Band Width）
用来表示最高数据速率

4.2 数据通信系统模型

输入的信息编码转化成数字比特流（数字信号），再通过调制转化成模拟信号，通过传输系统传输到接收方，
接收模拟信号后解调转化为数字比特流，再通过解码转化成输出信息。

两种信号:基带(baseband)信号和带通(band pass)信号又叫宽带信号

4.3 编码与调制

通常人们将数字数据转换成数字信号的过程称为编码(coding)，而将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制(modulation)。
编码： 数字数据(digtal data)通过 数字发送器(digit emitter) 转化为 数字信号(digtal signal)

调制： 模拟数据(analog data)通过 PCM编码器(PCM coder) 转化为模拟信号 (digtal signal)

下面讲讲常用的编码和调制方式

1、常用的编码方式
 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1。
 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

例题

2、常见的调制方式

 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化，即幅移键控ASK (Amplitude-Shift Keying)。
 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化，即频移键控FSK (Frequency-Shift Keying)。
 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化，即相移键控PSK (Phase-Shift Keying)。

使用基本调制方法,1个码元只能包含1个比特信息。
如何能使1个码元包含更多的比特呢?
那当然是混合调制啦，频率、相位、振幅之间关系如下：

• 因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。
• 通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

4.4 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重
但不管采用怎样好的传输媒体和怎样先进的调制技术，数据传输速率总是受限的，不可能任意地提高，否则就会出现较多的差错。

奈式准则（Nyquist）

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W 码元/秒
W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。
 若要提高信息的传输速率，可以采用有效的编码技术，使每一个码元能够携带较多的信息量。
比如3kHz的带宽，最高传输速率6k码元每秒，若每个码元能携带 3 bit 的信息量，则最高信息传输速率为 18000 bit/s；
假定我们的基带信号是：
101011000110111010…
这里每一个码元所携带的信息量是 1 bit。
现将信号中的每 3 个比特编为一个组，即
101, 011, 000, 110, 111, 010, …。
3 个比特共有 8 种不同的排列。
我们可以不同的调制方法来表示这样的信号。例如，用 8 种不同的振幅，或 8 种不同的频率，或 8 种不同的相位进行调制

香农公式

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N) b/s
– W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
– S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率

4.5 信道复用技术

频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

波分复用就是光的频分复用。

码分复用

常用的名词是码分多址 CDMA
(Code Division Multiple Access)。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

五、 物理层设备

1、中继器

注释：5-4-3规则是为了限制中继器使用次数的，理由可见图
5是指不能超过5个网段
4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个
3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机

2、集线器

集线器是个大的冲突域，同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号，没有智能。