计算机网络基础知识点总结 第二章 物理层
第二章 物理层
计算机网络由通信子网和资源子网组成。
OSI/RM中，通信子网（数据通信）包括物理层、数据链路层、网络层（低三层）；
计算机网络中数据通信是为了实现计算机之间的数据交换，因此，计算机网络本质上是数据通信的问题。
- 数据通信的基本概念：
数据（Date）：把事件的某些属性规范化后的表现形式，分为模拟数据和数字数据。
模拟数据：在时间和幅度取值上连续。
数字数据：在时间上离散，在幅度上经过量化。
信息：按照一定要求以某种格式组织起来的数据。
表现信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像及动画等。
数据和信息的区别：数据仅涉及事物的表现形式，而信息涉及数据的内容和解释。
信号：数据的具体物理表现，表达信息的一种载体。
根据数据表示方式不同分为：模拟信号和数字信号
模拟信号：一种随时间而连续变化的量值波形。
数字信号：不连续变化的离散量值波形。
模/数转换器：实现模拟信号和数字信号之间的相互转换。
信道：指传输信息时信号沿发送端到接收端的通路，分为物理信道和逻辑信道
物理信道/通信链路：传输信号的物理通道，由传输介质及相关通信设备组成。
逻辑信道：建立在物理信道基础上，一个物理信道可以提供多个逻辑信道。
物理信道1按传输信号类型分为模拟信道和数字信道
模拟信道：传输模拟信号。
数字信道：传输数字脉冲信号。
数字信号通过调制解调设备可在模拟信道传输，模拟信号进行数字化可在数字信道中传输。
2按传输介质分为：有线信道和无线信道
有线信道：电话线、双绞线、光缆等。
无线信道：无线电、微波、红外线和卫星通信等。
均以电磁波的形式在空间传播。
3按信道的使用方式分为：专用信道（专线）和公共交换信道
通信：信息的传输与交换。
每个通信系统都具备信源、信道、信宿三个基本要素。
信源：信息产生和出现的发源地；
信道：信息传送过程中承载信息的媒体；
信宿：接收信息的目的地；
数据通信：以传输数据为业务的通信，分为模拟数据通信和数字数据通信。
数据通信网：数据通信系统的网络形式，广域通信网或计算机网络等基础通信设施，属于通信子网。
码元：一个信号编码单元，数据的基本信号单位，计算机网络中一般把数字序列中的每一个脉冲称为码元。
码字：由码元组成的二进制字符串序列。
数据分组/数据包：计算机网络在传输数据时，一般把较大的数据块分成较小的数据段。并在每一段上附加一些（如分组号、源地址、目的地址、差错校验等）控制信息，每个数据段和相应的控制信息就是一个分组，在系统中是一个传输单位。
在实际传输中，还会将分组进一步分割成更小的逻辑单位。
在不同的网络或不同的层中，分组名称也不同，如在Ethernet中称为“帧”，ATM中称为“信元”，IP中称为“IP数据报”。
基带传输：指在传输信号时，用表示信息的原有信号形式（模拟数据用模拟信号传输，数字数据用数字信号传输）进行。
基带信号：原始的数字信号（电脉冲信号）。
基本频带（基带）：基带信号所占用（固有）的频率范围。
基带传输：在信道中直接传输基带信号的传输方式/数字数据直接在信道中传输
局域网系统大多采用基带传输，如以太网、令牌环网。一种最简单、最基本的传输方式。
频带传输：将基带信号变换为较高频率范围的频带信号，频带信号是模拟信号（如音频信号），然后将这种频带信号放到模拟信道中传输。
远距离通信信道通常采用频带传输，如Modem
宽带传输：利用宽带信号进行的传输，采用频带传输技术，但频带传输不一定是宽带传输；采用模拟传输的技术，将不同频率的多种调制信号在同一传输线路中传输（将声音、图像和数字数据等信息综合到一个物理信道上）。
宽带：在电信界指带宽大于语言级信道（4KHZ）的信道，包括大部分电磁波频谱。
宽带网：网络的传输速率>2Mbps
窄带网：网络的传输速率<2Mbps
- 数据通信的主要技术指标：衡量网络性能的参数，主要从传输速率的快慢和传输数据的质量来考虑。
数据传输速率度量方法：比特率（信息速率）和波特率（调制速率）。
传输数据的质量度量方法：误码率、延迟、抖动和丢包率。
比特率bit（S）：衡量数字信号的传输速率，指单位时间内所传输的二进制位序列的位（bit）数，是度量通信系统每秒传输的信息量。
单位：b/s、bps
单位换算关系：1Kbps=2^10=1024bps
1Mbps=2^20=1024Kbps
1Gbps=2^30=1024Mbps
1Tbps=2^40=1024Gbps
波特（Baud）率（B）/调制速率/波形速率/码元速率：指数字信号经过调制后的传输速率/每秒传输的脉冲（波形）信号个数。每秒通过信道传输的码元数，通常用于调制解调器传输信号的速率。
B=1/T（T：每个脉冲（波形）信号的持续时间；单位：秒）
比特率和波特率的关系：S=B*log2n（n：一个脉冲（波形）信号所表示的有效状态数）
误码率Pe/出错率：表示传输系统中二进制数据位被传错的概率，是衡量传输系统可靠性的指标。
Pe=Ne/N（N：传输的二进制码元总数；Ne：接收码元中被传错的码元数）
计算机网络中，一般要求误码率<10^-6，即平均每传输1Mbit
信道容量S：指物理信道能达到的最大传输能力
带宽：1模拟信道：指信道所能传输的信号的频率宽度，可传输信号的最高频率与最低频率之差。
频率单位为：Hz（赫兹）、KHz（千赫兹）、MHz（兆赫兹）、THz（兆赫）等
单位换算关系：1KHz=10^3=1000Hz
1MHz=10^6=1000KHz
1GHz=10^9=1000MHz
1THz=10^12=1000GHz
2数字信号：用数据传输速率表示。
单位：bps
带宽、数据传输速率和信道容量的区别：贷款和数据传输速率都是用来度量实际传输能力的。
数据速率：数字信道的容量
带宽：模拟信道的容量，一般用来表示传输介质和模拟信道的传输能力。
比特间隔（对应于周期）：发送一个比特所需要的时间
比特率（对应于频率）：每秒发送的比特位数（单位：bps）
比特间隔和比特率均用来描述数字信号
延迟/时延：指将一个比特从网络的一端传输到另一端所花费的时间。
抖动/可变延迟：指在同一条路由上发送的一组数据中数据包之间的时间差异。
吞吐量：指在网络中发送数据报的速率，可用平均速率和峰值速率表示。
丢包率：指在网络中发送数据包时丢弃数据包的最高比率，数据包的丢包是网络拥塞引起的。
这四个参数均是服务质量QoS的主要度量参数。
- 数据通信系统
数据通信系统基本模型：
信源和信宿（计算机或者终端设备）：数字式，交换的信息均属于离散的数字序列。二进制数字数据，在信息发送前，须转换为信号。
点到点的通信系统模型：计算机（终端）——编（译）码器——信号变换器—信道（噪声）—信号变换器——编（译）码器——计算机（终端）
编（译）码器/通信控制器：将信息通过ASCII代码（或其他编码）转变为0和1的二进制模式，然后将这些二进制并行数据，转换成适合线路传输的串行数据序列，而接收端的编（译）码器将传输来的串行数据序列转换成并行数据，还原成信息。
功能：负责DTE和通信线路的连接，完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等。
通信控制器：微机内部的异步通信控制器、网卡。
通信线路：信号变换器和线路
信号变换器：将通信控制器发出的二进制数字序列，根据不同信道的传输特性，变换为适合于信道传输的数字信号或模拟信号（即使是利用数字信道进行数据通信，一般也需要使用变换/反变换器，而不是将数字信号直接送入数字信道），然后送入信道传输。而接收端的信号变换器完成相反的工作。如调制解调器、光纤通信网中的光电转换器等就是信号变换器
信道：有线信道和无线信道
模拟通信系统：由信源得到的模拟数据电信号，变成适合信道传输的电信号后，若其电流或电压仍然是随时间连续变化。如：电话系统、电视系统
数字通信系统：当信源发出的信号是离散的数字数据时，通过信道传输到信宿的信号都是数字信号。
优点：比模拟通信系统费用低，抗干扰（如噪声等）能力强，不易失真。
缺点：数字信号比模拟信号易衰减，因而只能在有限的距离上传输，为了获得更大范围的传输，可使用中继器。
信号衰减的克服：1用放大器来增强信号的能量；
2使用中继器，把数字信号“0”、“1”整形恢复为标准电平后继续传输。
- 数据编码和调制
编码：将模拟数据或数字数据变换成数字信号
调制：将模拟数据或数字数据变换成模拟信号。
四种数据的编码和调制方法：1数字数据用数字信号传输
2模拟数据用数字信号传输
3数字数据用模拟信号传输
4模拟数据用模拟信号传输
- 数字数据的数字信号编码：
（1）单极性和双极性编码
单极性编码：二进制数据“0”和“1”在编码时只使用一种电压
双极性编码：使用两种电压
（2）归零和不（非）归零编码
归零编码：在表示数字信号时，每一个表示“0”和“1”的电压（假如有电压），当表示一个数字信号的中部电平都变为零电压时。
不（非）归零编码：如果表示信号结束后电压还保持原来电压状态。
（3）双相位编码：当表示一位数字信号的编码时，在信号的中间将电压变为相反（注意不是归零，而是由正电压变为负电压，或由负电压变为正电压）。
单极性不归零编码（NRZ）：只使用一个电压值
缺点：1平均振幅不是零，产生了直流分量（频率为0的分量），不能由无法处理直流分量能力的介质传输。
2同步问题
双极性不归零编码（BNRZ）：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正的幅值和负的幅值相等
使用了两个电压，线路上的平均电压值下降，减轻了单极性编码中的直流分量问题。
双极性归零编码（BRZ）：使用了正电平、负电平和零三个电平，编码信号本身携带同步信息，解决了同步问题。
缺点：编码一个比特，需要两次信号变化，增加了占用的带宽；线路上的平均电压值不为零。
双相位编码：1曼切斯特编码：
2差分曼切斯特编码：
- 模拟数据的数字信号编码：
编码器：A/D转换器，又称为数/模转换器，进行模/数（A/D）转换
解码器：D/A转换器，又称为模/数转换器，进行数/模（D/A）转换
脉冲振幅调制（PAM）：对原始的模拟信号每间隔一个相等的时间进行采样一次。
脉码调制（PCM）：将PAM采样结果修改成完全数字化的信号。
量化：一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值的方法。
3）采样频率：是原始的有效信号中最高频率分量或其带宽的２倍。
作用：决定了模拟数据的数字信号的质量。
- 数字数据的模拟调制
公共交换网是一种模拟信道
调制解调器：实现数字信号与模拟信号互换的设备。
模拟信号：载波信号，载波信号具有振幅、频率和相位三大要素，三种基本调制技术：幅移键控法（ASK）、频移键控法（FSK）、相移键控法（PSK）
幅移键控法（ASK）/振幅键控：通过控制正弦载波信号两个不同的振幅分别表示0和1，频率和相位保持不变。
限制因素：传输介质、噪声（热、电磁感应等）
频移键控法（FSK）/频率键控：通常用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值，振幅和相位保持不变。
限制因素：载波的物理容量
相移键控法（PSK）/相位键控：通过改变正弦载波信号的相位来表示两个二进制值，振幅和频率保持不变。
限制因素：带宽
正交调幅：ASK和PSK的结合
- 模拟数据的模拟调制
为了便于无线传输和频分多路复用等的需要，模拟数据可在甚高频正弦波下进行模拟调制。
调制技术：调幅AM、调频FM、调相PM
调幅AM：经AM调制后，载波的振幅会随着原始模拟数据的振幅呈线性变化，频率和相位保持不变。调幅信号的带宽是原来模拟信号带宽的两倍。
调频FM：在调频传输中，原来模拟载波信号的频率会随着调制信号电压（振幅）的改变而调整，而振幅和相位保持不变。调频信号的带宽是原来模拟信号带宽的10倍。
调相PM：在调相传输技术中，原始模拟载波信号的相位随调制信号电压（振幅）的改变而调整，振幅和频率保持不变。
- 数据传输方式
数据传输方式有串行传输和并行传输。
串行传输：指数据在信道上一位一位地逐个传输，从发送端接收到接收端只有一根传输线，是计算机网络中普遍采用的传输方式。
典例:计算机网络
优点：线路成本高，架设方便，容易维护，易于实现
缺点：传输速度较慢
1单工通信（双线制）：只允许传输的信息始终向一个方向流动，采用双线制，一个用于传输数据的主信道，另一个用于传输控制信息的监测信道。
例：听广播和看电视、寻呼机
2半双工通信（双线制+开关）：允许信息流向两个方向都可传输，但同一时刻只能朝一个方向传输，不能同时进行双向传输。
例：无线对讲机
3全双工通信（四线制）：指在同一时刻，能同时进行双向通信，即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息。
例：电话系统
并行传输：指数据以成组的方式在多个并行的信道上同时传输，即多个数据位并排同时在线路上传输，相应地需要若干根传输线。
典例：打印机和计算机
优点：速度快
缺点：费用高，维修不易，易受干扰。
- 同步传输和异步传输
同步技术：串行传输方式中，为了保证接收二进制序列与发送的数据一致（何时发送数据、双方传输速率是否一致、每个比特持续时间、比特间的时间间隔），并将其组合成字符，需要依靠收/发双方之间的定时机制来实现
常用的同步技术：同步传输和异步传输
同步传输：将一个大的数据块（一组数据或一个报文）一起发送
优点：线路利用率高，无起始位和停止位，中间不须停顿，可连续不断的发送
缺点：线路控制比较复杂
异步传输/起止式传输：允许码字之间存在存在不确定的空闲时间，即码字之间没有确定的时间关系。每个字符都带有起始位和停止位，当没有数据发送时，传输线一直处于高电平状态（停止位/1），一旦接收端检测到传输线上有1到0的跳变，意味着发送端已经开始发送字符。
单位：字符
优点：设备简单，技术容易，费用不高
缺点：速率较低
- 多路复用技术 ：指在同一个物理信道上同时传输多路信号，实现通信信道共享的一套技术。
作用：提高了传输介质的利用率
常用的多路复用技术：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）等
频分多路复用（FDM）：一种模拟技术，把信道的频谱分割成若干个互不重叠的子信道，各相邻子信道间要留有一个狭长的带宽（保护带）。
时分多路复用（TDM）：将物理信道按时间分成许多等长的时间片，轮流、交替地分配给多路信源，这样使多路输入信号能共享物理信道。
实现方式：同步时分多路复用、异步时分多路复用
同步时分多路复用：时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，这就形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低，为了克服STDM的缺点，引入了异步时分复用技术。
异步时分多路复用/统计时分复用STDM：能动态地按需分配时隙，以避免每个时间段中出现空闲时隙
波分多路复用（WDM）：对于光信号用波长二不用频率来表示的光载波，主要用于光纤通信。
密集波分多路复用DWDM：有助于灵活扩大现有光纤骨干网的容量
和波分多路复用区别：一根光纤复用80路甚至更多路光信号
三种常用复用技术的比较：
1频分多路复用（FDM）：传输模拟信号
2时分多路复用（TDM）：传输数字电信号
3波分多路复用（WDM）：传输光波信号
- 物理层（PHL）的作用和特性
单位：比特（bit）。向上直接和信道（传输介质）相连接，向上对数据链路层屏蔽各种物理传输介质的差异
作用：在网络节点之间的物理媒体上提供线路的建立、维持和释放，实现二进制位流的透明传输，并进行差错检查等。物理层是对DTE和DCE之间通信接口的描述和规定。
数据终端设备DTE：对所有联网设备或工作站的统称，是通信的信源或信宿，如计算机、终端、路由器等
数据电路端接设备DCE：对为提供网络设备接入点的统称，如交换机、自动呼叫应答设备、调制解调器等
功能：1保证数据按位传送的正确性，同时提供通信接口定义、控制信号、数据传输速率、接口信号电平等；
2 物理层管理；
3建立、维持和释放物理连接。
特性： 1）机械特性：规定了DTE和DCE之间实际的物理连接。
2）电气特性：规定了信号及有关电路的特性。
3）功能特性：规定了接口信号的来源、作用及其他信号之间的关系，即接口中各引脚线的功能分配和确切定义。
4）规程特性：就是协议，定义了DTE和DCE接口进行二进制比特流传输前的控制步骤，包括各信号线的工作规程和时序。
物理层协议（接口标准）举例：EIA-RS-232C、EIA的RS-449、RS-422、RS-423接口标准、RJ-45、X.21