第二章 与通信技术结合最紧密的一层———物理层

在谈论物理层之前，我们首先要弄清楚，在物理层所探讨的问题。在物理层，我们虽然会涉及物理层的传输媒体，但是实际上我们真正谈论的是怎样在连接计算机的传输媒体上传输比特流数据，而不是谈论具体的传输媒体。用我们教授的话，物理层研究的是计算机产生的数据，在怎样的介质上（机械：Interface）,以什么方式（电气：Electrical）,以何种顺序（时序：Timing）传输到另外一台电脑上。

先做个小的引入吧。虽然涉及硬件的东西总是让人感到一点烦躁，但是在物理层我们会认识一位美貌与智慧并存的女性海蒂 拉玛（hedy lammar）,她既是著名演员，也是一名十分厉害的工程师。她开发了军事中常用的跳频扩频技术。这也算是工程师中颜值最高的吧。

我主要还是从四个方面来复习物理层，根据之前的经验。第一部分我先呈现本章知识的概述，第二部分是概念解释，第三部分是重难点解析，第四部分是思考与拓展。

第一部分  本章知识概括

根据教材的总结和教授的课件内容，我将这章分为四个部分，分别是通信的基础知识、传输介质，物理层设备，网络接入方式。由于网络本身就是计算机与通信技术结合的产物，而越涉及底层就会越与底层连接方式还有通信产生联系。

主要思维导图如下：

 Xmind还是有些太麻烦了，一些批注等也不太方便，我还是使用的我平板自带的华为笔记。

第二部分 概念解释

 2.1通信基础知识

数据（data）:指传送信息的实体。

信号（signal）：指数据传输的电气表现，是数据传输过程中的存在形式。数据和信号都可以分为模拟和数字的。模拟是指连续变化，数字则是指离散的。

码元（symbol）：指用一个固定时长的波形表示一位K进制数。在讨论码元时，我们要弄清楚几个概念。一个码元包含几个波形，称为码元的信息量，在后面波特率和比特率换算需要运用；还有码元有效离散值，其实就是码元信息量做2的指数，在奈氏定理中会使用。

基带传输，频带传输和宽带传输：基带传输就是直接传递数字信号，频带传输是经过调制后传递模拟信号，而宽带传输则是在频带传输的基础上加上频分复用。

单向通信，半双工，全双工：单向通信指只有一个方向向另一个方向传递信息。半双工指通信双方都可以发送接受收消息，但不能同时发送接收。全双工指通信双方可以同时发送和接收信息。

码元传输速率：单位为波特（baud），指的是单位时间传递码元的速度。

信息传输速率：单位是比特每秒，指单位时间传递的二进制码元的速度。

奈氏准则：理想低通信下的极限数据传输速率=2Wlog2V

香农定理：信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)

S为信道平均功率，N为高斯噪声功率信噪比=10log10(S/N)(单位为dB)。但是在计算香农定理时直接代入S/N。如果要带单位，则需要使用以上的公式计算。

将数字编码为数字信号：在基带传输中常用的几种方法如归零编码（RZ），非归零编码（NRZ）（这也是常见中唯一无法传递时钟信号的），反向归零编码（NRZI），曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码，4B/5B编码。

 脉码调制（PCM）：对于音频信号，将模拟数据转化为数字信号，通常使用于将音频信号的转换。
2.2传输介质

双绞线：双绞线其实就是铜导线按照一定规律并排绞合而成。绞合的目的是为了减少相邻导线之间的电磁干扰。双绞线根据是否加屏蔽层，可以分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。我们在了解一个传输介质的时候可以了解它的传输速度和大致需求。如下表，是我们教授归纳的。

 同时双绞线还可以注意的是它的RJ接口，有连接以太网的RJ-45和电话线RJ-11。

同轴电缆：同轴电缆的抗干扰性较好，传输距离比双绞线远，但价格也更贵。

光纤：是利用光导纤维传递光信号来进行通信。现在光纤的速度还不是特别快，原因不是传输速度满，而是因为无法进行快速的光电转换。多模光纤利用光的全反射，适合近距离传输；单模光纤利用光的直径减小到只有一个光的波长，光直线传播，适合远距离传输。

无线传输：无线传输的方式有很多，具体就不展开说了，包括无线电、无线微波接力等。无线传输的相关技术可以在网络上学习，具体就不展开了。

2.3物理层的相关网络设备

中继器（RP repeater）：它的作用是放大信号，补偿信号衰减，支持远距离的通信。要注意中继器的原理，不是简单信号的放大，而是信号的再生。

作为物理层的网络硬件设备，中继器只能连接一个局域网内部，即中继器两端的协议、速度都要是一致的。中继器遵循“5-4-3”原则，即4个中继器串联五段线路，只有三段可以挂连计算机。

集线器（Hub):集线器就是一个有多个端口的中继器。

2.4 网络接入方式

这一部分考试应该涉及比较少，但是我认为对我们生活中理解很多问题很有帮助。

互联网骨干网络的接入方式：

对上图的解释。一般的ip网络中,根据其拓扑结构,可以把路由器分为接入路由器ar,边缘路由器br,核心路由器cr。SR是service router--全业务路由器与BRAS类似，用来终结和管理用户的PPPoE/IPoE会话。BRAS作为传统的互联网业务的入口，而SR作为新的精品业务的入口。这个架构是目前国内大多数城域网的现状。olt是光线路终端,用于连接干线的终端设备。

2G:第二代手机通信技术规格。它在美国通常称为“个人通信服务”（PCS）。具体的实现，不多加赘述。

 

3G：第三代移动通信技术，是指支持高速的数据传输蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息。3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的一代移动通信系统。

 

4G:是第四代的移动信息系统，是在3G技术上的一次更好的改良，其相较于3G通信技术来说一个更大的优势，是将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。

Pon网络：无源光网络，PON技术是一点到多点的光纤接入技术，它由局侧的OLT、用户侧的ONU ，以及ODN组成。所谓“无源”是指在ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部都由光分路器等无源器件组成。onu就是光猫，在我们实际操作家庭网络过程中需要接入的就是光猫。olt是光线路终端。

 

ADSL：超级一线通入网。最初是为了电视点播（我其实都不咋看电视了），优点是有较快的下行速度。

电缆调制解调器入网：就是通过混合光纤同轴电缆（HFC）连接电缆调制解调器上网。

局域网入网：这个价格特别高，我挺想搞一个打游戏的

 

第三部分 重难点解析

1.数据传输速率的计算

数据传输速率的计算需要理解码元传输速率，信息传输速率，奈氏定理和香农定理的综合运用。有时候还会涉及QAM技术等。具体的概念解释已经放在前面，我们看几道具体计算的例题。

第一道是10题（图片已经不能再裁剪了），主要是波特率与比特率换算。

 

 第二题是第14题，主要是利用奈氏定理和香农定理的运用。

 

 第三题我本来想找一道QAM技术的题目，但是结果找的这题只能说有QAM的名，但无实，其实还是奈氏定理。

  

 

2.物理层设备的使用。

物理层设备主要使用的硬件设备主要有中继器和集线器。我们首先要理解的物理层设备的功能范围，只能是连接一个局域网。然后可以再辨析一下中继器和集线器的功能。基本都是理清楚概念即可。

 

第四部分 拓展及思考

物理层在我的理解里，是与通信技术结合最为紧密的一层。虽然其中涉及的协议比较少，但是作为网络模型的最底层，数据的传输是一切网络的基础，重要性也不言而喻。

对于学习也有了更深的体会。之前在B站看到了一个大专学生发的视频，他讲述了他看到中科大计网课后的感受。我们平时许多学科，速刷一下，看看习题书也能过，但是其实我们真正学到了多少呢？视频出处
 

我想起我的教授说过，我们本科到25岁是学习的黄金时间，一刻千金。追求知识的“博”，追求专业的“极”。或许我应该多思考一些比应试能力更重要的东西。算一种勉励吧。也希望自己可以将博客这个习惯坚持下去。