不怕娜
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【计算机网络笔记】物理层——数据通信基础

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）
传输层——拥塞控制原理与解决方法
TCP的拥塞控制机制
网络层服务与核心功能
网络层服务模型——虚电路网络
网络层服务模型——数据报网络
Internet网络的网络层——IP协议之IP数据报的结构
IP分片
IP编址与有类IP地址
IP子网划分与子网掩码
CIDR与路由聚合
DHCP协议
网络地址转换(NAT)
ICMP（互联网控制报文协议）
IPv6简介
路由算法之链路状态路由算法
路由算法之距离向量路由算法
路由算法之层次路由
数据链路层概述
数据链路层——差错编码
多路访问控制(MAC)协议——随机访问MAC协议
ARP协议
以太网
交换机
虚拟局域网(VLAN)
PPP协议
802.11无线局域网

  • 系列文章目录
  • 数据通信系统
  • 常见数据通信术语
  • 异步通信 vs 同步通信
  • 模拟通信 vs 数字通信
  • 信源编码

【计算机网络笔记】物理层——数据通信基础_第1张图片

可以说，物理层是整个网络通信过程的基础，高层的所有数据，最后对应的每个比特都要在物理层进行处理然后传输。因此物理层要解决的问题从根本上来说就是一个个比特的传输问题。从根本上来看就是通信问题。

数据通信系统

数据通信主要是指以计算机产生的数据作为信源，最终去往以计算机为主要代表的信宿，数据形式一般是二进制形式。前面说过，计算机网络是典型的数据通信系统。

【计算机网络笔记】物理层——数据通信基础_第2张图片

  • 信源：将消息转换为信号的设备，如计算机等

  • 发送设备：将信源产生的信号进行适当的变换的装置，使之适合于在信道中传输。主要包括编码和调制

  • 信道：信号传输通道，如物理介质

  • 噪声: 自然界和通信设备中所产生的干扰

  • 接收设备：完成发送设备反变换，还原原始发送信号

  • 信宿: 信号终点，将信号转换为供人们能识别的消息

常见数据通信术语

  • 数据(data): 传送消息的实体。比如文本、图像、声音、视频等等

  • 信号(signal): 数据的电气的或电磁的表示。最典型的形式是正弦波信号： 在这里插入图片描述

  • 数据有模拟的，也有数字的，信号也是。

    • “模拟的”(analogous): 参数的取值是连续的
    • “数字的”(digital): 参数的取值是离散的

  • 码元(code): 信号基本波形(信号基本单元)。比如一个脉冲就是一个信号基本单元、一个正弦波的一个周期就一个信号基本单元等等

  • 频带(Spectrum): 信号频率范围。有信号的频带和信道的频带的区分。信号的频带是信号的频率范围，对信道来说，就是能够通过这个信道的频率的范围。注意频带的单位是赫兹

  • 带宽(Bandwidth): 有效带宽。即频带主要频率的范围

  • 数据通信方式: 单工、半双工、全双工。即单向、交替双向、同时双向。

  • 并行通信 vs 串行通信

异步通信 vs 同步通信

异步通信 和同步通信要解决的问题是一样的，即发送方和接收方的时钟同步问题。解决方案有两种：

  • 异步通信：发送方和接收方的时钟是各自独立的。每次只传输一个字符，通常来说是5到8个比特。在传输的过程中，开始的时候双方的时钟要对齐。即每次传输的时候都先对齐一下。
    • 最大的优点是比较简单，成本不高。但是也有一些缺点，比如说每一个字符传输至少有一个起始位、结束位，因此每个字符会有2到3个比特的开销，这样数据的传输效率不会很高
    • 因此适合短距离、低速率的数据传输。比如键盘和主机之间的通信
  • 同步通信：特点是每次传输一大块数据。比如数据帧、数据报等等。最重要的就是时钟同步问题，这就需要发送方和接收方之间使用相同的时钟信号。在实际情况中，典型的解决方案是把时钟信号和数据编码在一起。因为通信总是要传输数据，那在传输数据的同时将时钟信号传过去那不就一举两得了嘛
    • 效率更高。发送器和接收器至少在一大块数据传输的过程中时钟是保持一致的

模拟通信 vs 数字通信

【计算机网络笔记】物理层——数据通信基础_第3张图片

在远距离传输过程中倾向于采用数字通信

信源编码

【计算机网络笔记】物理层——数据通信基础_第4张图片

典型的信源编码：PCM

PCM包括三个步骤:采样—>量化—>编码

  • 采样: 目的就是要用一系列在时间上离散的采样值，代替时间上连续的模拟数据，即实现时间上的离散化
  • 量化:就是使采样值在取值上离散化
  • 编码:就是将量化后的采样值用一定位数的二进制数码来表示如果量化级数为N，则每个采样值就编码成log2N位二进制码

经过这样的过程之后就可以把连续的模拟数据转换为离散的二进制数字数据。

比如：

【计算机网络笔记】物理层——数据通信基础_第5张图片

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