计算机网络 第二章（上）
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2 物理层
2.1物理层通信基础
2.1.1物理层基本概念
物理层接口特性
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 => 定义标准
- 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。
- 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。
- 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。
- 规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
2.1.2 数据通信基础知识
通信的目的是传送信息
数据data：传送信息的实体，统称是有意义的符号序列。
数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程
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。
数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。
模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。
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。
三种通信方式
- 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
- 半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
- 全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
两种数据传输方式
- 串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送（速度慢，费用低，适合远距离）
- 并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送（速度快，费用高，适合近距离）
同步通信/异步通信
- 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
- 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
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
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。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关。
- 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）。
关 系：若一个码元携带n bit 的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M × n bit/s
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个点到另外一点所能通过的“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）。
2.1.3 奈氏准则和香农定理
失真
影响失真的因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
码间串扰
信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差
码间串扰：接收端收到信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
奈氏准则（奈奎斯特定理）
奈氏准则：在理想低通（无噪音，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。
在任何信道中，码元传输的速率是有上线的。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变成不可能。
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。
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
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信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
噪声存在于所有电子设备和通道信道中。由于噪声随机产生，它的噪声瞬时值会很大，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 = 信号平均功率/噪声平均功率，常记为 S/N，并用 分贝（dB）作为度量单位，即：
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。
- 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越高。
- 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。
- 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。
- 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比它低不少
- 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。
最大数据速率取小的那个，这道题要8000b/s
2.1.4 编码与调制
基带信号与带宽信号
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
信道分类：
- 按照传输信号,模拟信道（传送模拟信号） 数字信道（传送数字信号）
- 按照传输介质，无线信道 有线信道
信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号
传输距离近的时候，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信息内容不易发生变化）
传输距离远的时候，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
编码：数据 - > 数字信号
调制：数据 - > 模拟信号
数字数据编码转化为数字信号
- 非归零编码【NRZ】
- 曼彻斯特编码
- 差分曼彻斯特编码
- 归零编码【RZ】
- 反向不归零编码【NRZI】
- 4B/5B编码
（1）非归零编码【NRZ】-- 高1低0
编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始时和结束，以至于收发双方难以保持同步。
（2）曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔，从低电平到高电平的转换表示 1，从高电平到低电平的转换表示0，位中间的跳变既做时钟信号（可用于同步），也做数据信号
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
（3）差分曼彻斯特编码（同一异零）
每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。
抗干扰性强于曼彻斯特编码。
（4）归零编码【RZ】
信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
（5）反向不归零编码【NRZI】
信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1.
（6）4B/5B编码
比特流中插入额外的比特打破一连串的0或者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
模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理是二进制数据，处理的都是数字音频，需要将模拟音频通过采样量化换成有限个数字表示的离散序列（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量化，被广泛用于素材保存以及音乐欣赏，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
为了保证离散信号不失真：
采样定理： f(采样频率) ≥ 2 f(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准转化为相应的数字值，并取整数。
3、编码：把量化结果转化为相对应的二进制编码。
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。
总结
2.1.5 数据交互方式
数据交换
交换是通过某些交换中心将数据进行集中和传送。
传输线路为各个用户共用，从而大大节省通信线路，降低系统费用。
方式：电路交换、报文交换、分组交换
存储转发交换方式包括报文交换和分组交换
分组交换又分为数据报方式和虚电路方式