408计算机网络学习笔记——物理层
目录
1.数据通信基本知识
1.1.数字信号/离散信号
1.2.单工/半双工/全双工
1.3.串行/并行
1.4.同步/异步
1.5.码元
1.6.信息传输速率
1.7.带宽
2.编码和调制
2.1.数字数据编码为数字信号
2.2.数字数据调制为模拟信号
3.奈氏准则和香农定理
3.1.奈氏准则
3.2.香农定理
4.数据交换方式
4.1.电路交换
4.2.报文交换
4.3.分组交换
4.4.数据交换方式的选择
5.数据报和虚电路（分组交换）
5.1.数据报
5.2.虚电路
6.物理层接口特性
7.物理层的设备
7.1.中继器
7.2.集线器
1.数据通信基本知识
1.1.数字信号/离散信号
1.2.单工/半双工/全双工
单双工：单方向通信，一条信道（只有你说，广播）
半双工：双方都可以发送或者接受，但一方不能同时发送和接受两条信道（对讲机）
全双工：双方可以同时发送或者接受
1.3.串行/并行
串行：字符一个一个发送，一条信道
并行：一次传输多个字符，多条信道
1.4.同步/异步
同步：在一块数据的前面加入1个或2 个以上的同步字符SYN
异步：在数据前加起始位，在数据后加终止位
1.5.码元
码元指的是固定时长的信号波形（电平），该时长内的信号称为k进制码元（离散状态有M种，即为M进制码元，例如：只有高低电平，2进制码元，0，1；4种高低不平的信号，4进制码元，00，01，10，11），而该时长称为码元宽度
不同进制的码元区别在于能携带多少信息量——2进制：0、1，1bit，4进制：00、01、10、11，2bit
1.6.信息传输速率
1.码元传输速率（一秒传输多少码元）：单位时间内传输的码元的个数（脉冲个数或者信号变化次数），单位为波特（B）。例：2S内传输4800个码元——2400B
码元传输速率仅与码元长度有关，成反比，码元长度越长，传输速率越低
2.信息传输速率（一秒传输多少比特）：单位时间内传输的二进制码元个数（比特数），单位bit/s
两者关系：信息传输速率 = 码元传输速率 * 一个码元携的数据量
1.7.带宽
1.模拟信号中，最高频率 - 最低频率的差值，单位为Hz
2.数字信号中，从一点到另一点通过的最高速率（单位时间内链路通过的数据的数量）。bps(b/s)
2.编码和调制
物理层主要解决的是传输数据比特流，而不是具体的传输媒体
发送端将数字数据编码为数字信号→调制解调器将数字信号调制为模拟信号→中间系统传输模拟信号→调制器将模拟信号编码为数字信号→接收端将模拟信号编码为数字信号
基带信号：将数字信号0和1用高低电平表示，再放到数字信道上传输（基带传输）
宽带信号：将基带信号调制（提高频率）成模拟信号后，再放到模拟信道上传输（宽带传输）
距离近、衰减小→基带传输
距离远、衰减大→宽带传输
2.1.数字数据编码为数字信号
1.非归零编码（NRZ）：高1低0
2.归零编码：每个码元都要恢复到零（低电平）
3.反向不归零编码（NRZI）：电平翻转表示0，电平不翻转表示1
4.曼彻斯特编码：在一个码元内，前高后低为1，前低后高为1（也可以相反）（数据传输速率只有调制速率的二分之一：一个时钟周期内只有一个bit，但是有两个码元）
5.差分曼彻斯特编码：数据为1，则前半个码元的电平和上个码元后半个电平相同；若数据为0，则相反（bit流之间电位无变化代表1，有变化代表0）
2.2.数字数据调制为模拟信号
调幅+调相所产生的不同种类的码元的个数 = 相位数 * 振幅数
3.奈氏准则和香农定理
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（码元传输过快）的现象
只有这奈氏准则和香浓定理中的带宽指的是单位为HZ的带宽
3.1.奈氏准则
限制码元传输的速率B（不考虑噪声）（香农定理限制信息传输速率b/s）
理想低通信道下的极限数据传输速率 = 
W——理想低通信道的带宽
V——每个码元离散电平的数目（若有16中不同的码元，则需要4个二进制位，则V = 4）
结论：
1.码元传输速率有上限
2.带宽越大，可以使用的码元传输速率越高
3.奈氏准则仅提出对码元传输速率的限制，并没有对信息传输速率进行限制→尽可能提高码元内携带数据量（比特数）
3.2.香农定理
在带宽受限且有噪声的信道中，信息传输速率有上限值
信噪比 = 10log(S/N) (log以10为底)
信道的极限传输速率 = 
结论：
1.信噪比越大或者带宽越大，信道的极限传输速率越大（降低噪声或者提高信号强度）
2.一定的带宽和一定的信噪比→确定极限传输速率
3.只要当前传输速率 < 极限传输速率，一定能实现无差错传输
4.数据交换方式
4.1.电路交换
1.发送端和接收端必须建立一条专有的物理通信路径，这条路径在传输期间一直被占有，直到通信结束后才释放
2.三个阶段：建立连接→数据传输→释放连接（适用大量数据传输）
3.优点：
A.传输时延小，实时性强（专有线路，适用交互式会话类通信）
B.数据顺序传输，无失序问题
C.全双工
D.适用模拟信号和数字信号
E.交换设备和控制简单
4.缺点：
A.建立时间长
B.信道使用率低（线路独占，即使空闲，别人也不能使用）
C.灵活性差，任何一点出故障必须重新建立连接（不适用突发性通信）
D.无数据存储能力
E.无法进行差错控制
4.2.报文交换
1.无需建立专有线路，传输单位为报文（带有目的地址和源地址），采用存储转发的方式
2.优点：
A.无需建立连接。（相对于电路交换）
B.动态分配线路。选择当前最佳路径（相对于电路交换）
C.提高可靠性。任何一点出问题，可以重新选择路径（相对于电路交换）
D.提高线路利用率。非独占线路（相对于电路交换）
E.多目标服务。一个报文可以发送给多个目的地址（相对于电路交换）
3.缺点：
A.实时性差（存储转发导致转发时延，甚至有可能排队等待）
B.只适用数字信号
C.由于报文没有长度限制，因此，需要大量的缓存空间
4.3.分组交换
与报文交换基本相同，区别在于限制传输数据的长度，过大则划分为多个分组
优点：
A.无需建立连接（相对于电路交换）
B.信道利用率高（相对于电路交换）
C.简化存储管理（相对于报文交换，限制数据最大长度）
D.加速传输（相对于报文交换）：对于两个分组来说，存储和转发是可以同时进行的；并且分组一般小于报文，其所需的发送等待时间也更小
E.减小出错概率和重发量（相对于报文交换）：分组较小，提高可靠性
F.传播时延低，适用突发式通信
缺点：
A.存在传输时延。即使相交于报文交换已经大大降低，但是仍然比不上电路交换
B.需要传输额外信息量。每个分组都要有目的地址、源地址和编号等控制数据
C.采用数据报可能会失序、丢失等；采用虚电路，会有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程
4.4.数据交换方式的选择
1.数据传输量大，且传输时间远大于呼叫时间——电路交换
2.端到端有很多段链路——分组交换
3.考虑信道利用——分组交换（适合突发式通信）
5.数据报和虚电路（分组交换）
5.1.数据报
1.提供无连接（不用事先建立连接）服务（不可靠传输）
2.同一报文的不同分组到达目的结点可能会发生乱序、重复和丢失（不同分组的路径可能不同）
3.每个分组都必须带有目的地址、源地址和分组号
4.在交换存储转发时候可能会产生时延，中间结点可以丢弃部分分组
5.信道某个结点发生故障的时候，会选择另一路径，适应能力强，适用突发式通信，但不适合长报文、会话式通信（采用电路交换）
5.2.虚电路
电路交换和报文交换的结合
虚电路为逻辑连接（可靠传输），中间每个结点都有一个虚电路表
1.三个阶段：
①建立连接：源主机发出呼叫请求并且收到呼叫应答后才算建立完成
②数据传输：每个分组携带虚电路号（不需要带目的地址和源地址）若接收端有多个虚电路传输数据，则表示是哪个虚电路传输的），分组号等信息
③释放连接
2.特点：
①虚电路为网络层提供连接服务（传输前需确定一条线路）。两端之间逻辑连接（电路交换是物理线路）
②只需要带虚电路号，而不需要带目的地址和源地址，开销降低（数据报带目的地址和源地址）
③不会发生重复、丢失和失序（数据报会发生）
④中间结点只进行差错控制，不进行路径选择（已经有逻辑连接的虚电路）
⑤每个中间结点可能与多个中间结点建立虚电路，两端也可能含有多条虚电路，但每条虚电路只为指定的两端传输数据（区别于电路交换的独占线路）
⑥当虚电路中某个结点失效，则整个虚电路需要重新建立（电路交换一样）
6.物理层接口特性
1.机械特性：针对物理连接的特性。引脚数量、引线数目
2.电气特性：电压范围、传输速率和距离限制（出现数字）
3.功能特性：某一电平表示何种意义（不出现数字）
4.过程特性：工作规程和时序
7.物理层的设备
7.1.中继器
对信号进行再生和还原（线路上的信号功率会衰减，衰减到一定程度会失真，需要还原）
7.2.集线器
起信号放大和转发的作用，目的是扩大网络的传输范围
收到信号后对除了输入端外的其他所有端口转发，但集线器不能分割冲突域→连在集线器上的工作主机平分带宽