[网络协议]计算机网络第二章物理层笔记 值得收藏

1、物理层的基本概念

1. 物理层解决如何在连接各种计算机的传媒上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
2. 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 ----->定义标准
3. 特性：
   • 机械特性：定义物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引线属性和排列情况。
   • 电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率、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，接口不见信号线的用途
   • 规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作和时序关系

2、数据通信基础知识

1.

2. 数据通信相关术语：

   通信的目的是传送消息

   名词	定义
   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，是数据在传输过程的存在形式 数字信号：代表消息的参数取值是离散的，低电平0 高电平1 模拟信号：代表信号的参数取值是连续的
   信源	产生和发送数据的源头
   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，因此一条通信线路往往包括一条发送信道和一条接收信道。

   信道两种分类方式：

   • 根据传输信号分为：模拟信道（传输模拟信号）和数字信道（传送数字信号）
   • 根据传输介质分为：无线信道和有线信道

3. 三种通信方式：

   从通信双方的信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

   （1）单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道

   （2）半双工通信：通信的双方都可以或接受信息，但任何以方都不能同时发送和接收，需要两条信道

   （3）全双工信道：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

4. 两种数据的传输方式：

   （1）传输方式：分为串行传输和并行传）

   ? 1）串行传输：速度慢，费用低，适合远距离

   ? 2）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）

3、码元、波特、速率、带宽

1. 码元：是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个时（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，另一种代表1状态。
   

2. 波速、波特、带宽之间的关系

   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，也可以用码元传输速率和信息传输速率表示

   （1）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，他表示在单位时间内数据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（Baud）。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，但是码元速率与进制无关

   1Baud 其实就是 码元/s

   （2）信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制源码个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s)。

   关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s

   （3）带宽：表示在单位时间内从网路中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s.

   （4）练习题：
   系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率

4、奈氏准则和香农定理

1. 失真
   
   （1）影响失真程度的因素:

   ? 1）码元的传输速率

   ? 2）信号传输距离

   ? 3）噪音干扰

   ? 4）传输媒体质量

   （2）失真的一种现象------码元串扰

   ? 信道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直接清晰界限的现象

2. 奈氏准则：在理想低通（无噪音，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
   

   （1）在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，是接收端对码元的完全正确识别称为不可能。

   （2）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

   （3）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

   （4）由于码元的传输速率受奈氏准则，所以要提高数据的传输速率，就必须设法是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

   （5）练习题：

3. 香农定理

   （1）噪音存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪音随机产生，它的瞬间值有时会很大，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，name早生影响相对较小。因此，噪音比就很重要

   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，即：
   

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

   1）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。

   2）对一定的传输带宽和一定的噪音比，信息传输速率的上限就确定了。

   3）只要信息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

   4）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。

   5）从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

   （3）练习题：

4. “奈氏准则”和"奈氏准则“用哪个?

   奈氏准则（内忧）	奈氏准则（外患）
   带宽受限无噪音条件下，为了码间串扰，码元传输速率上限为2W Baud（W是带宽）	带宽受限有噪声条件下的信息传输速率
   理想低通道信道下的极限数据传输率=2W $$lo{g}_{2}V$$	信道的极限数据传输速率=W$$lo{g}_2(1+S/n)$$
   要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术	要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比

   练习题：
   

5、编码和调制

1. 基带信号与宽带信号

   （1）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，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
   1）信道按照传输信号分为 模拟信道（传输模拟信号）和数字信道（传输数字信号）

   ? 信道按照传输介质分为 无线信道和有线信道

   ? 2）信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号

   ? 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，将计算机输出的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：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，在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）

   （2）在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（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（远距离衰减大，即使信号变大也能最后过滤出来基带信号）

2. 编码与调制

   （1）如何区分编码和调制

   ? 数据--------->数字信号 编码

   ? 数据---------->模拟信号 调制

   （2）数字数据

   ? 数字数据--------->数字信号 （编码）（用数字发送器）

   ? 数字数据--------->模拟信号 （调制）（用调制器）

   （3）模拟数据

   ? 模拟数据--------->数字信号（编码）（用PCM编码器）

   ? 模拟数据--------->模拟信号（调制）（用放大调制器）

3. 数字数据编码为数字信号

   （1）非归零编码【NRZ】：（高1低0）编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步

   （2）曼彻斯特编码：将一个码元分为两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1：码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。改编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（也可用于同步）。又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍,每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2

   （3）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的后半个码元的电平相同,若为0,则相反.该编码的特点是,在每一个码元中间,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

   （4）归零编码 【RZ】：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

   （5）反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

   （6）4B/5B编码：比特流插入额外的比特以打破一串0或1,就是用5个比特来编码4个比特的数据,之后再传给接收方,因此称为4B/5B。编码效率为80%。
   
   

4. 数字数据调制为模拟信号

   （1）数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程

5. 模拟数据编码为数字信号

   （1）计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表的离散序列（即实现音频数字化）

   ? 最典型的例子就是对音频进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用，他主要包括三步：抽样、量化、编码

   1）抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

   ? 为了使所得的离散信号能无失真地代表抽样的模拟数据，要使用采样

   定理进行采样：$$f采样频率>=2f信号最高频率$$

   2）量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标准转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量

   3）编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

6. 模拟数据调制为模拟信号

   为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，允许利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式：模拟的声音数据是加载到模拟载波信号中传输的

6、传输介质

1. 传输介质及分类
   （1）传输介质也称为传世媒体/传输媒介，他就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

   （2）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，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

   （3）传输介质分为两类：导向性传输介质和非导向性传输介质

   导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。

   非导向性传输媒介：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

2. 导向性传输介质—1.双绞线

   （1）双绞线是古老、又常用的传输介质，他由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
   
   绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
   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）

   双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对模拟传输，要用放大器放大衰弱的信号；对于数字信号要用中继器将失真信号整形

3. 导向性传输介质—2.同轴电缆

   同轴电缆由导体铜质薪线、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送基带数字信号，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送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
   
   同轴电缆Vs双绞线：由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但是价格比双绞线贵

4. 导向性传输介质—3.光纤

   光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大概是$$10^8$$MHz,因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体带宽。

   光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或者半导体激光器，他们在点脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光点二极管做成光检查器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

   光纤主要有纤芯（实心的！）和包层构成，广播通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射的介质时，其折射角大于入射角。因此如果入射角足够大，就会出现全反射，即光纤碰到包层时候就会折回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去
   

   	定义	光源	特点
   单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的光纤	定向性很好的激光二极管	衰耗小，适合远距离传输
   多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	发光二极管	易失真，适合近距离传输

5. 光纤的特点：

   （1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

   （2）抗雷电和电磁干扰性好

   （3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据

   （4）体积小，重量轻

6. 非导向性传输介质

   （1）无线电波：较强的穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）

   ? 方向：信号向所以方向传播

   （2）微波：微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高

   ? 方向：信号固定方向传播

   ? 两种应用：

   ? 1）底面微波接力通信

   ? 2）卫星通信：

   ? 卫星通信的优缺点：

   优点	缺点
   通信容量大	传播时延长（250-270ms）
   距离远	受天气影响大（如：强风、太阳黑子爆发、日凌）
   覆盖广	误码率较高
   广播通信和多址通信	成本高

   （3）红外线、激光：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外信号和激光信号，

   ? 再在空间中传播

   ? 方向：信号固定方法传播

7、物理层设备

1. 中继器

   （1）诞生原因：由于存在损耗，在线路和是哪个传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接受错误

   （2）中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度

   （3）中继器的两端：

   ? 1）两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。中继器只讲任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据

   ? 2） 两端可以连接相同媒体 也可以连不同的媒体

   ? 3）中继器两端的网段一定是同一协议。（中继器不会存储转发）

   （4）5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作除了规定，因而中继器只能在规定的范围进行，否则会网络故障

2. 集线器（多口中继器）

   （1）集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除了输入端口外）处于工作转态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度，不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备

   （2）集线器不能分隔冲突域,连在集线器上的工作主机平分带宽

8、知识点总结

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