计算机网络 第二章物理层 自整理笔记

⭐️ 重点
✅ 掌握
❓ 疑问
❗ 难点
概念解释
✨ 突出

第二章 物理层(重点掌握基本概念)

2.1 物理层的概念

2.1.1 ⭐️物理层所要解决的问题

• 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
• 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

2.1.1 ⭐️物理层协议的主要任务

2.2 物理层下的传输媒体（了解）

传输媒体不属于计算机网络的任意一层，只能属于物理层之下

2.2.1导引型传输媒体

2.2.1.1同轴电缆

• 基带同轴电缆（50）：数字传输，过去用于局域网
• 宽带同轴电缆（70）：模拟传输，目前主要用于有线电视
  同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

2.2.1.2 ✅双绞线（绞合目的）

屏蔽双绞线提高了抗电磁干扰的能力，也更贵

2.2.1.3 ✅光纤（传播原理）

光纤的传输原理（不断地全反射）

2.2.1.4 电力线

2.2.2 非导引型传输媒体

2.2.2.1 无线电波

2.2.2.2 ✅微波（特性及应用）

2.2.2.3 红外线

2.2.2.4 可见光

无法短期取代wifi

2.2.3 无线电频谱管理机构

2.3 传输方式

2.3.1 ⭐️串行 vs 并行

2.3.2 ⭐️同步 vs 异步（同步与异步的概念）

2.3.2 单工 vs 半双工 vs 全双工

2.4 编码与调制

2.4.1 数据通信中的常用术语

消息 数据 信号

• 信号 --> 基带信号
  • 数字基带信号（例如计算机内部，CPU与内存之间所传输的信号）
  • 模拟基带信号（例如麦克风采集到声音后产生的音频信号）

计算机网络中数字基带信号更常见

传输媒体与信道的关系

• 单工传输：只包含一个信道（发送or接收）
• 半双工，全双工：包含两个信道（发送and接收）
• 信道复用技术：多个信道

2.4.2 ⭐️码元

• 在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
  
  简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。

2.4.3 ⭐️编码

2.4.3.1 编码类型

• 数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输（以太网：曼彻斯特编码）
• 模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输（对音频信号进行编码的脉码调制PCM）

2.4.3.2 常用编码（四种）

• 不归零编码（不存在同步问题）
  

  • 需要额外—根传输线来传输时钟信号,使发送方和接收方同步。
  • 对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号!

• 归零编码（自同步，编码效率低）
  

  • 每个码元传输结束后信号都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
  • 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。
  • 但是，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

• 曼彻斯特编码 vs 差分曼彻斯特编码
  

  • 负跳变表示比特1，正跳变表示比特0（无规定也可以反过来）

2.4.4 ⭐️调制

2.4.4.1 调制类型

• 数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输
• 模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输

2.4.4.2 基本调制方法（调幅、调频、调相）

2.4.4.3 混合调制

频率 相位 振幅

• 因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。
• 通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

举例：正交振幅调制QAM

• QAM-16
  • 12种相位
  • 每种相位有1或2种振幅可以选
  • 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
  • 码元与4个比特的对应关系采用格雷码：任意两个相邻码元之间只有1个比特不同
    

2.5 信道的极限容量

2.5.1 造成信号失真的因素

2.5.2 ⭐️奈氏准则

• 基本调制方法（调幅、调频、调相）：二元调制，只能产生两种不同的码元（波形），每个码元只能携带1比特的信息量
• 混合调制：多远调制，（QAM-16）可以调制出16种不同的码元（波形），每个码元只能携带4比特的信息量

2.5.3 ⭐️香农公式

2.5.4 ⭐️奈氏准则和香农公式的意义

• 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制(更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
• 自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。