计算机网络--物理层(全)

前言

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对于计算机网络的物理层来说，我们先了解上层基础–通信基础，然后学习下层建筑–传输介质与设备。

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1.通信基础

1.1基本概念

$\bullet$ 物理层具体功能：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。

$\bullet$ 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。

机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接所用规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。比如说插排和网线。

电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、传输速率和距离限制等。

功能特性：指定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。

对于接口特性不需要详细背诵，只需要能对不同的特性进行分辨即可。黑体字为重点特性。

$\bullet$ 数据通信模型：

数据通信：不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1的过程。

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信号：数字信号/离散信号、模拟信号/连续信号。

信道：信号的传输媒介，一条通信线路中往往包含一条发送信道和一条接收信道。

$\bullet$ 按传输信号分：模拟信道、数字信道
$\bullet$ 按传输介质分：无线信道、有线信道

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$\bullet$ 三种通信方式：

$\bullet$ 单工通信：只有一个方向的通信，只需一条信道，类似广播。
$\bullet$ 半双工/双向交替通信：通信双方都可以发送或接受信息，但是同一时间只能有一方发送信息，需要两条信道。类似对讲机。
$\bullet$ 双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，需要两条信道。类似打电话。

$\bullet$ 数据传输方式：

传输方式	含义	特点
串行传输	将二进制数一个一个发送	速度慢，费用低，适合远距离
并行传输	分多条信道同时发送二进制数	速度快，费用高，适合近距离

传输方式	含义
同步传输	数据传输是以一个数据区块为单位，在数据前拼接一个或多个同步字符，首先发送同步字符待接收方得到消息准备接收后再发送整批的数据。实现了时钟同步。
异步传输	将比特分成小组进行传输，发送方可在任意时刻发送比特组，而接收方不知道什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

$\bullet$ 与传输速率有关的术语：

码元：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。在二进制码元中高电平代表1，低电平代表0。

当离散状态有n个时，称为n进制码元。eg：4进制码元离散状态有4个（4中高低不同的信号波形），我们可以用两个二进制数来模拟分别为00、01、10、11。这时1码元携带的信息量为2比特。

速率：数据的传输速率，单位时间内传输的数据量。可用码元传输速率和信息传输速率来表示。
$\bullet$ 码元传输速率：单位时间内数字通信系统所通过的码元个数（脉冲个数或信号变化次数），单位为波特（Baud）B。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
$\bullet$ 信息传输速率：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），单位为比特/秒（b/s）。
关系：若一个码元携带 n bit的信息量，则M B的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

带宽：模拟信号系统中，最高频率与最低频率之差；数字设备中，单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的“最高数据率”/单位时间内通过的链路数量，单位是比特每秒（bps）。

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1.2求极限公式（两个）

引子

当现实中的信道中受到带宽受限、有噪声、干扰等情况导致失真发生。有时候有失真但是还可以识别，有时候有失真且无法识别。

影响失真程度因素：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：当码元传输速率过快时，码元之间间隙过小，造成无法分辨码元的情况。
信道带宽：信道中最高频率与最低频率之差。

1.2.1奈氏准则（奈奎斯特定理）

定义：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，单位为Hz。

计算极限数据传输率：$$2Wlo{g}_{2}V单位:(b/s)$$（V为V进制码元，W为信道带宽，单位Hz）

限制码元传输速率。

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结论：

$\bullet$ 码元传输速率有上限。超过此上限会出现码间串扰问题。

$\bullet$ 信道的频带越宽（W越大）（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。

$\bullet$ 只限制了码元传输速率，未限制信息传输速率。

$\bullet$ 由于码元传输速率受奈氏准则限制，所以为了提高数据传输率就需要设法使每个码元携带更多个比特的信息量。

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1.2.2香农定理

由于噪声随机产生，且瞬时值有时很大，所以会使接收端对码元的判决产生错误。当信号强时，噪声影响小，当信号弱时，噪声影响大。因此，引出信噪比的概念。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。
$$信噪比（dB）=10lo{g}_{10}(\frac{S}{N})$$

定义：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。

信道的极限数据传输率为：$$Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})单位:(b/s)$$

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结论：

$\bullet$ 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。

$\bullet$ 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。

$\bullet$ 只要信息的传输速率低于信道的传输速率，就一定能找到某种方法开实现无差错的传输。

$\bullet$ 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

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1.3编码与调制

预备知识：
$\bullet$ 信道上传送的信号：

$\bullet$ 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号。
$\bullet$ 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再送到模拟信道上去传输（宽带传输）。
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）

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定义：

数据–>数字信号 编码
数据–>模拟信号 调制

数字数据–>数字信号（通过数字发送器）
数字数据–>模拟信号（通过调制器）

模拟数据–>数字信号（通过PCM编码器）
模拟数据–>模拟信号（通过放大器调制器）

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四种编码与调制的方法过程：

$\bullet$ 数字数据编码为数字信号：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【NRZ1】、4B/5B编码。

前三种重要。

编码方式	具体编码过程	优点	缺点
非归零编码	高1低0	容易实现	没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，使得收发双方难以保持同步。eg：连续的1或0，接收方无法判断有多少个1或0.
曼彻斯特编码	将一个码元分成两个相等的间隔，前半部分高电平后半部分低电平表示0，前低后高表示1（也可以采用相反的规定）。	每一个码元中间出现电平跳变，既可以作时钟信号（可用于同步），又作数据信号。	所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。数据传输速率只有调制速率的1/2。
差分曼彻斯特编码	同1异0，若码元为1，则前半个码元的电平与上一个马原的后半个码元的电平相同，若为0则相反。在每个码元中间也都有一次电平的跳转（实现自同步）。	抗干扰型强与曼彻斯特编码。
归零编码	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。		当0比较多时，信道利用率极低
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。	全为0时，一直翻转容易记录	全为1时，一直保持不变，不容易记录。
4B/5B编码	比特流中插入额外的比特来打破一连串的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。	编码效率为80%

$\bullet$ 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，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。

包括：调幅、调频、调相、调幅+调相（QAM）

$\bullet$ 模拟数据编码为数字信号：将得到的模拟音频通过采样、量化转化成有限个数字表示的离散序列（音频数字化）。最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM），包括三步：抽样、量化、编码。

$\bullet$ 抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。要求：$$f_{采样频率}\ge 2f_{信号最高频率}$$

$\bullet$ 量化：把抽样取得的电平幅值按一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这样就把连续的电平幅度值转换为离散的数字量。
$\bullet$ 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

$\bullet$ 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。

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1.4数据交换方式

一共有三种，分别为电路交换、报文交换、分组交换，其中后两种为存储转发交换方式。

1.4.1电路交换

原理：在数据交换期间，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。

电路交换分三个阶段：建立连接（呼叫/电路建立）、通信（数据传输）、释放连接（拆除电路）。

$\bullet$ 建立连接：发送方A发送请求，其中包含A、B地址，传入交换设备A中，A执行路由选择，决定下一个设备，然后循环执行该操作直到与B连接，当B确定可以接受请求时，就原路放回请求到A，完成通路建立。

$\bullet$ 通信：A、B都可以进行数据的传递与接受。

$\bullet$ 释放连接：一方发送释放请求，按照建立好的通路传送给另一方，另一方接受以后按原路返回并释放掉设备。

特点：独占资源，A、B建立好连接以后，该条路径无法被其他设备使用。适用于远距离批量处理信息传输或系统建模实时性要求高的大量数据传输的情况。

特点	缺点
传输时延小	建立时间长
数据顺序传送，无失序问题（类似于流水线操作）	线路独占，及时通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用率低
实时性强，双方一旦建立物理通路，便可实时通信，适用于交互式会话类通信。	灵活性差，双方连接通路中任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信。
全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会征用物理信道	无数据存储能力，难以平滑通信量
适用于模拟信号和数字信号	电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。
控制简单，电路的交换设备（交换机）及控制较简单	无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制。

1.4.2报文交换

报文：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。

原理：无需在两个站点之间建立专用通道，数据传输的单位是报文，传输工程采用存储转发的方式。

过程：信息＋报头组成传输报文，其中包换（目的与原地址）。发送到交换设备中，每个节点要收下报文，暂存报文并进行差错检查。当所需输出电路空闲时，使用路由信息（尽量快的到达）找到下一个结点地址，传给下一个结点，直到目的主机。

优点	缺点
无需建立连接，无建立连接时延，科随时发送报文。	实时性查，存在转发时延（有时会有排队时延）。
动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。	只适用于数字信号。
提高线路可靠性，某条发生故障，可以选择其他路线。	由于报文长度没有限制，还存在存储要求，使得结点必须存在较大的缓冲区。为了降低成本有时候把报文刻在磁盘上，进一步增加了传送时延。
提高线路利用率，不独占路线	\
提供多目标服务，一个报文可同时发往多个目的地址。	\
容易实现代码转换和速率匹配。	\

1.4.3分组交换(最常使用)

分组：由于大多数计算机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，这种小块就叫分组。

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，分组交换限制所传输的数据单位的长度，一般为128B。发送节点将终端发来的数据报文进行接收、存储、分组，并以分组为单位进行传输和交换，接收结点将分组组装成信息或报文。

小的分组带有编号，方便接收节点进行组装。

优点	缺点
无建立时延，无需预先建立通路，可随时发送分组	存在存储转发时延，结点交换机必须要更强的处理能力。
线路利用率好，可以共享通路	每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理时间。
简化了存储管理，分组长度固定	进行数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组、分组到达目的结点还需要组装，增加了麻烦。
加速传输，所有分组可以并发传输，而且传输分组所需的缓冲区小于报文所需缓冲区，减少搜啊等待发送时间。	\
减少出错几率和重发数据量	\
分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。	\

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分组交换还可以继续细分为：数据报方式和虚电路方式。（结合了电路交换方式和数据报方式）

$\bullet$ 数据报方式： 就是上面所描述的交换方式，每次发送出分组时，当该结点接收到下一个结点的确认信息时就会删除掉副本。

特点：
$\bullet$ 为网络层提供无连接服务（不建立实现连接），网络中的结点可随时接收分组。
$\bullet$ 同一报文的分组到达目的结点是可能会发生乱序、重复和丢失。
$\bullet$ 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号。
$\bullet$ 分组在交换结点进行存储转发时，需要排队可能会带来时延，交换结点可根据情况丢弃部分分组。（不用担心丢失，它会重新发送这个分组）
$\bullet$ 网络具有冗余路径，可根据实际情况选择路径。

$\bullet$ 虚电路方式：具有数据报方式和电路交换方式的优点。虚电路是一条从源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有的结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。

过程分三个步骤（类似于电路交换方式）：建立连接（虚电路建立）、数据传输、释放连接（虚电路释放）。

过程：传输的为分组，先进行连接的建立，分组携带虚电路号（防止不同的报文组装时发生交叉）、分组号、检验和等控制信息。最后同电路交换一样释放电路。

特点：
$\bullet$ 为网络提供连接服务，建立一条逻辑连接而非实际物理连接。
$\bullet$ 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，统一报文的分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
$\bullet$ 通过节点时，只需要差错检验，不需要路由选择。
$\bullet$ 每个节点可能与多个节点建立多条虚电路，可以对两个数据端点的流量进行控制。
$\bullet$ 致命弱点：网络中某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，所有经过该结点或链路的虚电路都遭破坏。

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1.4.4综合

数据交换方式的选择：

$\bullet$ 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫是，选择电路交换，它的传送时延最小。

$\bullet$ 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据更合适。

$\bullet$ 从信道利用率来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通路。

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2.传输介质&设备

2.1传输介质

传输介质也叫传输媒体/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。

传输媒体不是物理层，它在物理层的下面，传输媒体传输的是信，但是传输媒体不知道传输的信号代表什么意思。。

2.1.1导向传输介质

定义：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。（固定线路）

导向传输介质：

$\bullet$ 双绞线：最古老，最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线。

特点：
$\bullet$ 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
$\bullet$ 为进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线外面再加一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）。
$\bullet$ 价格便宜，在传统局域网和电话网中普遍使用，通信距离一般为几公里到数十公里，当距离太远时，对于模拟传输需要使用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整型。

$\bullet$ 同轴电缆：由导线铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层组成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分成两类，一类用于传输基带数字信号，又称基带同轴电缆，在局域网中广泛应用；一类用于传输宽带信号，又称宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统。

特点：
$\bullet$ 抗干扰特性更强，广泛用于传输较高速率的数据，传输距离更远，价格更贵。（与双绞线相比）

$\bullet$ 光纤：利用光导纤维传递光脉冲进行通信，带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。主要由纤芯（实心的）和包层构成。使用了全反射的原理，损耗很低。

分类	定义	光源	特点
单模光纤	一种在很想模式直接传输光信号的光纤。（将直径减小到只有一个光的波长）	定向性很好的激光二极管	衰耗小，适合远距离传输
多模光纤	有读哟中传输光信号模式的光纤。	发光二极管	适合近距离传输。

光缆由多条光纤组成。

特点：
$\bullet$ 传输损耗小，适合远距离
$\bullet$ 抗雷电和电磁干扰性好
$\bullet$ 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
$\bullet$ 体积小，重量轻。

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2.1.2非导向传输介质

定义：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。（方便使用便携式设备）

非导向传输介质	传播方向	特点	应用
无线电波	信号向所有方向传播	穿透性强。可传远距离	广泛用于通信领域（如手机通信）
微波	信号沿固定方向传播	微波通信频率较高、频段范围宽。因此数据率较高	（1）地面微波接力通信（2）卫星通信
红外线、激光	信号沿固定方向传播	把传输信号转换为各自格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

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2.2物理层设备

2.2.1中继器

产生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，到一定程度时会造成失真。

中继器功能（再生数字信号）：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。从而增加信号传输距离、延长网络的长度。

中继器的两端：

$\bullet$ 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。
$\bullet$ 只负责传输数据，不管数据是否正确。$\bullet$ 两端可连相同媒体，也可连不通媒体。
$\bullet$ 两端的网段一定要是同一个协议。

5-4-3规则：最多不超过5个网段，最多连接4个物理层的网络设备、最多有3个段可以连接计算机。

2.2.2集线器(多口中继器)

集线器功能：对信号进行再生放大转发。不具备信号的定向传送设备（类似广播），是一个共享式设备。

3.总结（思维导图）

笔记整理自：王道考研