计算机网络第二章整理：物理层

第二章：物理层

一、掌握物理层基本概念、功能和基本特性（四大）

1.物理层功能

（1）位置：物理层是网络体系结构中的最底层

• 不是连接计算机的具体物理设备
• 不是负责信号传输的具体物理设备

（2）功能：在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流

1. 数据链路层将数据比特流传送给物理层
2. 物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码
3. 然后将信号通过传输媒体传到下一节点的物理层

（3）作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

• 为数据链路层提供一个统一的数据传输服务

2.接口特性

物理层是DTE和DCE间的约定，规定了两者之间的接口。

• DTE：数据终端设备，一种具有一定数据处理和转发能力的设备，可以是数据的终点也可以是源点。
• DCE：数据电路终结设备，在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的能力。负责建立、保存和释放数据链路
  

（1）机械特性

• 定义指接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

（2）电气特性

指明了接口电缆各线上的电压范围。
规定了DTE/DCE之间多条信号线的电气连接及有关电路特性

• 发送器和接收器的电路特性、负载要求、传输速率、连接距离等
• 如发送信号电平、发送器和接收器的输出阻抗和平衡特性等。

（3）功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压含义。
描述接口执行的功能，定义接线器的每一引脚（针，Pin）的作用。

（4）过程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3.物理层常用标准

（1）点对点通信线路：用于直接连接两个节点

• EIA RS-232-C标准 （EIA 美国电子工业协会）
• EIA RS-449标准

（2）广播通信线路：一条公共通信线路连接多个结点。

二、掌握数据通信的基本术语、不同传输方式的特点和传输性能的刻画与度量

1.数据通信基本概念与术语

(1)波特率与比特率

波特率：每秒钟信号变化的次数，也称调制速率

比特率：每秒钟传送的二进制位数

波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系
例：每个信号值可表示3位，则比特率是波特率的3倍；每个信号值可表示1位，则比特率和波特率相同

（2）信道的最大数据传输速率

a.奈魁斯特定理：最大数据传输率（数字信道的容量） = 2Hlog2V (bps)

• 任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样2H次就能完整地重现该信号，信号电平分为V级。
• 是理想状态下

b.香农定理：最大传输速率（模拟信道的容量）=Hlog2(1 + S/N) (bps)

• 带宽为H赫兹。随机噪声出现的大小用信噪比（信号功率S与噪声功率N之比）来衡量
• 若题目中出现分贝，则需要多算一步：1分贝=10log¹⁰ S/N
• 此式仅是上线，难以达到。
• 增加最大传输速率的方法增加系统带宽、提升源端信号发射功率、降低噪声

c.信息量:I=-log_ap

• a表示进制。a=2时，I的单位为比特；a=自然数e，I的单位为奈特
• 例子：8只灯泡，一只坏了，二分法判断。p=1/8。故该事件不确定度大小为：-log₂1/8=3bit. 也就是查3次就能查不来。

（3）通信、消息、信息、数据、信号

• 通信是在源点与终点之间传递消息或者信息，但信息和消息有着不同的概念
• 消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音和图像等。消息两个特点 ：①能被通信双方所理解。②可以相互传递
• 信息是指包含在消息中对通信者有意义的那部分内容。消息是信息的载体，消息中可能含有信息
• 数据是对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达。数据是消息的一种表示形式，是传达某种意义或信息的实体。在通信系统中，消息是通过电信号
  来传递的
• 信号是消息的载体（比如电信号、光信号等）。

（4）数据的信号表示

数据分为模拟数据和数字数据。
信号分为模拟信号和数字信号。
数据和信号的四种组合：

• 数字数据，数字信号(如0/1表示负电平/正电平，一串 离散的、非连续的电压脉冲序列)
• 数字数据，模拟信号(如ASK、FSK和PSK)
• 模拟数据，数字信号(如话音信号的PCM调制)
• 模拟数据，模拟信号(如AM、FM和PM).

2.数据通信传输方式

（1）数字通信和模拟通信

（2）串行通信和并行通信

（3）点到点传输/点到多点传输

（4）单工、半双工、双工

（5）异步传输和同步传输

（6）基带传输和频带传输

3.数据编码技术

（1）NRZ（不归零）

（2）曼彻斯特编码：每位中间跳变，低到高表示‘0’，高到低表示‘1’。

（3）差分曼彻斯特：每位中间跳变，位前有跳变表示‘0’，没有跳变表示‘1’。

4.数据通信性能度量

（1）传输速率

(2)带宽

• 在通信领域（模拟传输），带宽指某个信号具有的频带宽度。 单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫、太赫等)。如话音信号的带宽是3.1kHz (300Hz～ 3400Hz)。
• 在计算机领域（数字传输），带宽指计算机网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能达到的“最高数据速率”。 单位是b/s (bit/s）

（3）数字通信与模拟通信相比较

• 优点：抗干扰性强，保密性好，设备易于集成，便于计算机处理等。
• 缺点：占用较多的带宽，信道利用率低

（4）频带利用率

5.传输质量

三、码分复用（CDMA）

每个站分配一个码片

• A:（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
• B:（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）
• C:（-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1）
• D:（-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1）

同时不同的码片规格化内积为0。自己与自己规格化内积为1。与自己的反码规格化内积为-1。
以A为例，发送数据时，发送1，则发送（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1），发送0则发送（+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1），互为反码。

• 现收到这样的码片序列：M=（-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1）

问是哪个站发送的，各自发了什么。
这时，需要用收到的码片序列与每个站的码片规格化内积/8。为1则发送了1，为-1则发送了0，为0则没有发送数据。

• A * M=1/8*(1-1+3+1-1+3+1+1)=1因此A发送了1
• B * M=-1 因此B发送了0
• C * M=0 因此C未发数据
• D * M=1 因此D发送了1