计算机网络–第二章（物理层）

物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体

物理层的主要任务：确定月传输媒体接口有关的一些特性

机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接事所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
规程特性（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信的相关术语

通信的目的是传送信息

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式
- 数字信号：代表信息的参数取值是离散的
- 模拟信号：代表信息的参数取值的是连续的
信源：产生和发送数据的源头
信宿：接收数据的终点
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路汪汪包含一条发送信道和一条接收信道
- 传输信号：模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传递数字信号）
- 传输介质：无线信道有线信道

三种通信方式

从通信双方信息的交互方式来看，可以有三种基本方式：

单工通信：只有一个方向的通信儿没有反方向的交互，仅需要一条信道
半双工通信：通信的双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

串行传输速度慢，费用低，适合远距离
并行传输速度快，费用高，适合近距离，用于计算机内部数据传输

码元

码元指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为K进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个（M大于2），此时码元为M进制码元

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态

速率

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关
信息传输速率，别名信息速率、比特速率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒
带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网路的通信线路所能传输数据的能力，单位b/s

失真

影响失真程度的因素：

码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰

信号带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则

奈氏准则：在李响低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz

理想低通信道下的极限数据传输率 = 2 W log2V(b/s)

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个，码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声的影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（db）作为度量单位

信噪比（dB） = 10 log10(S/N)

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

信道的极限数据传输速率 = Wlog2(1 + S/N)

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

对一定的传输贷款和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了

只要信息系的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输

香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

基带信号与宽带信号

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
宽带信号：键基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络采用的基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减打，及时信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

数字数据编码

归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式
反向不归零编码：信号电平反转表示0，信号电平不变表示1（遇0反转）
曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为高低电平表示1，码元0则正好相反。理解记忆（前高后低表示1，前低后高表示0）,宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2
差分曼彻斯特编码:同1异0。常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元换的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码

传输介质及分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介，他就是数据传输系统中在发送设备和接收设备的物理通路

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有事称传输媒体为0层。

导线性传输介质—1、双绞线

双绞线是古老，又最常用的传输介质，它是由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成

为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）

导线性传输介质—2、同轴电缆

同轴电缆是由道题铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传输基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传输宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统