计算机网络——物理层知识框架以及思维导图

物理层

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。
物理层主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性（即定义标准）

一、导图总览

二、通信基础

1.一些重要概念

通信的目的是传送消息（(消息︰语音、文字、图像、视频等)。
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/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
模拟信号/连续信号:代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号/离散信号∶代表消息的参数的取值是离散的。
信源︰产生和发送数据的源头。
信宿︰接收数据的终点。
信道∶信号的传输媒介。一般用来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。

2.三种通信方式

3.数据传输方式：
①串行传输（速度慢，费用低，适合远距离）
②并行传输（速度快，费用高，适合近距离）
4.实现同步的传输方式
①同步传输
②异步传输

5.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。

6.数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
1)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，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud) 。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
2)信息传输速率:别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s) 。

7.带宽
1）.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)。
2）.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)。

三、编码与调制

1.基带信号和宽带信号

2.编码
ps：
①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。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

②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。
③ 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，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%。只采用16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码(帧的开始和结束，线路的状态信息等)
或保留

四、奈氏准则和香农定理

1.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。

**2.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:


ps：
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。

五、物理层的接口特性

①机械特性
②电气特性
③功能特性
④规格特性

六、物理层设备

①中继器：
1）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。
2）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。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
中继器两端的网段一定要是同一个协议。

②集线器：
1）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。具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

七、物理层传输介质

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。