计算机网络自学笔记002_Real（物理层）
一、物理层基本概念
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
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。定义标准
特性：
（1）机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
（2）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。
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一点评表示何种意义，接口部件的信号的用途。
（4）规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时许关系。
（一）数据通信基础知识
相关术语：
通信的目的时传送消息
（1）数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
（2）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：代表消息的参数值是离散的
模拟信号：代表消息的参数值是连续的
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，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道
信道：传输信号：模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）
传播介质：无线信道 有线信道
（二）三种通信方式
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：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
3、全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道
（三）两种数据传输方式
1、串行通信：速度慢，费用低，适合远距离传输
2、并行通信：速度快，费用高，适合近距离传输
二、码元、波特、速率、带宽
（一）码元
码元是指用一个固定市场的信号波形（数字脉冲），代表不不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计算单位，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个时（M大于2），则该码元称为M进制码元
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，只有两种不同的额码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
四进制码元，码元的离散状态有四个，四个不同的信号波形代表00 01 10 11四个状态，每个码元携带两个比特量。
（二）速率、波特、带宽
1、速率：也叫做数据率，是指数据的传输速率，表示单位是间内传输的数据量，可以用码元传输速率和信息传输速率来表示。
（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，他表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以成为脉冲个数或者信号变化个数）。单位：波特（Raud），1波特表示数字通信系统每秒钟传输一个码元，这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但是码元速率和进制数无关。 1s传输多少个码元
（2）信息传输速率：别名信息速率、比特速率，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元的个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s） 1s传输多少个比特
两个速率指标之间关系：
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
2、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 ，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，单位是b/s
三、奈氏准则、香农定理
（一）失真
有失真但是能识别、失真大无法识别
1、影响失真程度的主要因素：（1）码元传输速率（2）信号传输距离（3）噪声干扰（4）传输媒介质量
2、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之间清洗界限的现象，震动太快，无法辨别信号。
（二）奈氏准则（奈奎斯特定理）
奈氏准则：在理想低通（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
（1）在任何信道中，码元传输的速率都是有上限的，若传输速率超过此上限，会出现严重的码间串扰问题，使得接收端对码元的完全正确识别成为不可能
（2）信道的频带越宽（即能通过信号高频分量越多）。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，但是没有对信息传输速率给出限制
（4）由于码元的传输速率受到奈氏准则的限制，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使得每个码元能携带更多的比特信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
（三）香农定理
（1）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，因此噪声会使得接收端对码元的判断产生错误，但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小，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，并且用分贝（dB）作为度量单位
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
（1）信道的宽度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信噪比，信息的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来实现无差错的传输‘
（4）香农定理得出的极限信息传输速率，是理想的最高传输速率，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。
四、编码&调制
（一）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，因此一条信道往往包含一条发送信道和一条接收信道。
2、信道分类：
按照传输信号分为：模拟信道（传送模拟信号） 数字信道（传送数字信号）
按照传输介质分为：无线信道 有线信道
3、
（1）基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到模拟信道上进行传输（基带传输）
来自信源的信号，像计算机输出的代表各种图像文字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，比如我们说话产生的声波就是基带信号
（2）宽带信号：将基带信号进行调制后行程的频分复用模拟信号，再传输到模拟信道上进行传输。（贷款传输）
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）
在传输距离较近的时候，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，信号内容不易发生变化）
在传输距离较远的时候，计算机网络采用带宽传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出基带信号）
（二）编码与调制
1、
把数据转成数字信号——>编码
把数据转成模拟信号——>调制
（三）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，但是没有检错功能，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i编码
将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平则表示码元1，码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该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（可用于同步），又作数据信号，但是它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍，每一个码元都被调成两个电平，素以数据传输速率只有调制镀铝的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：如果码元是1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个电相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每一个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现子同步，且抗干扰性能强于曼彻斯特编码。
4、归零编码【RZ】
信号i安平在一个码元内必须都要恢复到0的这种编码方式
5、反向不归零编码【NRZI】
0信号代表电平反转，1信号代表电平不反转。
6、4B/5B编码
比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传输给接收方，因此成为4B/5B编码，编码效率位80%。
只采用16中对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始与结束，线路的状态信息等）或者保留。
（四）数字数据调制为模拟信号
数字信号调制技术再发送端将数字信号转换为模拟辛哈，而在结接收端将模拟信号还原为数字信号，粉笔对应于调制解调器的 调制和解调过程。
（五）模拟数据编码位数字信号
计算机呢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示的离散信号（即实现音频数字化）。
最典型的例子就是对音频信号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：对模拟信号周期扫描，把时间上连续的信号变成时间两离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样地模拟数据，必须使用采样定理进行采样，采样的频率必须高于信号最高频率的两倍。
（2）量化：把抽样取得的电平赋值按照一定的分级标准转换为对应的数字值，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。
（五）模拟数据调制为模拟信号
为了实现数据传输的有效性，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，充分利用带宽资源，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的载波信号中传输的。
五、传输介质及其分类
传输介质也成为传输媒体/传输媒介，他就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
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，因此有时称为传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但是传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思，但是物理层规定了电气特性，因此能够识别做传输的比特流。
传输介质：导向型传输介质——>电磁波导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播
非导向型传输介质——>自由空间，介质可以是空气，真空，海水等。
1、导向型传输介质：
（1）双绞线
双绞线是古老，又最常用的传输介质，它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。
为了进一步提高抗干扰的能力，可以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），五屏蔽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，距离太远的时候，对于模拟传输，要使用放大器放大衰减的信号，对于数字信号，要用中继器将失真的信号进行整形。
（2）同轴电缆
同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织层和塑料外层构成，按照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电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，在局域网中得到了广泛应用，75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统。
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比较好，被广泛应用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但是价格也更贵。
（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，没有则表示0，而可见光的频率大约为10^8MHz，因此光纤通信系统的额带宽远远大于目前其他传输媒体的带宽。
光纤在发送段有光源，可以采用发光二极管或者半导体激光器，他们在电脉冲的作用下能产生光脉冲，在接受端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲
光线主要由纤芯（实心的）和包层组成，广播通过纤芯进行传导，包层相较于纤芯来说右脚低的折射率，当管线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角，因此如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光就会沿着光纤传输下去。
1）多模光纤与单模光纤：
定义 光源 特点
单模光纤 一种在单项模式直接传输光信号的光纤 定向性好的激光二极管 损耗小适合远距离
多模光纤 有很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
2）光纤的特点：
a、传输损耗小，中继距离长，遂于远距离传输特别经济；
b、抗雷电和电磁干扰性能好；
c、无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据；
d、体积小，质量轻。
2、非导向性的传输介质
六、物理层设备（中继器与集线器）
（一）中继器
1、诞生原因：
由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐减弱，衰减到一定成俗时会造成信号失真，因此会导致接收错误。
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，演唱网络的长度。
3、中继器的两端：
（1）两端的网络部分叫做网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段的镀铝需要相同。
（2）中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一个电缆段上，他们有任何信号的电气部分，兵部观数据中心是否有错误数据或不适于网段的数据。
（3）两端可连接相同的媒体，也可以是不同的媒体。
（4）中继器两端的网段一定要是同一个协议。
4、5-4-3规则：
（1）只能有不超过5个网段
（2）只能由不超过4个中继器
（3）只能有三个网段可以连接计算机
（二）集线器（多口中继器）
集线器的功能：
对信号进行再生和放大转发，对衰减的信号进行方法，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号的传输距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传输功能，是一个共享设备。
如果在信号数据传输的时候发生数据冲突碰撞，则停止，然后在一个随机的时间在开始发送数据，知道不发生冲突碰撞为止，集线器形成了一个冲突域。