Chapter 2 物理层
物理层关注：怎样能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据的比特流。
（一）通信基础
1. 基本概念
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数据：传送信息的实体。分为模拟数据与数字数据；模拟数据：连续变化的数据；数字数据：取离散数值的数据
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信号:数据的电气或电磁表现，数据在传输过程中的存在形式。分为模拟信号与数字信号；模拟信号：连续变化的信号；数字信号：取有限的几个离散数值的信号。
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码元 ：一个固定时长的信号波形，用来表示一位k进制数字。一码元可以携带多个比特的信息量。以二进制编码为例，有两种不同的码元：0状态和1状态。
数据通信：数字计算机与其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统包括三部分：信源、信道和信宿。
- 信源：产生和发送数据的源头。通常是计算机和其他数字终端装置。
- 信道：信号的传输媒介。
- 信宿：接收数据的终点。
通信过程： 信源发出信息经过变换器转换为信道能识别的信号，信号
在信道上传输经过反变换器转换为信宿能接收端信息。
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速率：数据的传输速率，表示单位时间传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示：码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（baud）；信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位：比特/秒（b/s）。
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波特：数字信息系统每秒传输的码元个数/脉冲个数/信号变化次数。
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带宽：单位时间内从网络中某一点到另一点能通过的最高数据率，单位为比特/秒。
| 带宽 | 概念 | 单位 |
|---|---|---|
| 通信 | 信号具有的频带宽度 | 赫兹（Hz） |
| 网络 | 单位时间内从网络中某一点到另一点能通过的最高数据率 | 比特/秒（b/s） |
2. 定理
奈奎斯特/奈式准则/Nyquist
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定理：理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率是2W波特。W表示理想低通信道的带宽，V表示每个码元离散电平的数目（有多少种不同的码元）。
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应用：
理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V（单位：b/s） -
结论:
任何信道中，码元传输的速率又上限；信道频带越宽，可用更高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，但没有限制信息传输速率。
【启示】由于码元的传输速率受奈氏准则的约束，所以想要提高数据的传输速率，就必须想办法让每个码元携带更多个比特的信息量，即采用多元制的调制方法。
香农定理（Shannon）
定理：
信道的极限数据传输率=Wlog2（1+S/N）
其中，W为信道带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
信噪比=S/N，信号的平均功率与噪声的平均功率之比。
结论：
信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高；对于一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的；只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输；香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要低于极限情况。
3. 编码与调制
编码与调制都是将数据转变成信号
编码：数据—> 数字信号
调制：数据—> 模拟信号
常见编码方式：
（数字数据编码为数字信号）
- 归零编码
- 非归零编码
- 反向非归零编码
- 曼彻斯特编码
- 差分曼彻斯特编码
- 4B/5B编码
基本调制方法：
（数字数据调制为模拟信号） - 幅移键控（ASK）
- 频移键控（FSK）
- 相移键控（PSK）
- 正交振幅调制（QAM）
（模拟数据编码为数字信号）
采样 —> 量化 —> 编码
（模拟数据调制为模拟信号）
频分复用技术（FDM）
4.交换
| 交换方式 | 概念 | 优点 | 缺点 | 适用情况 |
|---|---|---|---|---|
| 电路交换 | 数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通道路径 | 通信时延小；有序传输；没有冲突；适用范围广；实时性强；控制简单 | 建立连接时间长；线路独占；灵活性差；难以规格化 | 传送数据量大且传送时间远大于呼叫时间 |
| 报文交换 | 数据交换单位是报文，报文携带目标地址、源地址等信息。在交换结点采用存储转发的传输方式。 | 无需建立连接；动态分配线路；提高线路可靠性；提高线路利用率；提供多目标服务 | 引起转发时延；要求网络结点要有较大缓存空间。 | - |
| 分组交换 | 存储转发，限制每次传送数据块大小 | 无建立时延；线路利用率高；简化存储管理；加速传输；减少出错概率和重发数据量 | 存在传输时延；需传输额外信息量；可能会出现失序、丢失或重复分组 | 端到端通路由多段链路组成 |
5. 数据报与虚电路
分组交换根据通信子网向端点系统提供的服务，可分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。
数据报—无连接连接
虚电路方式—面向连接
数据报与虚电路比较
（二）传输介质/传输媒体
1. 传输介质
- 概念：发送设备与接收设备之间的物理通路。
2. 物理层接口特性
- 机械特性
- 电气特性
- 功能特性
- 规程特性
【注】物理层关注如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流；应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使其上一层—数据链路层只需要考虑本层的协议和服务。
（三）物理层设备
1. 中继器
- 功能： 为了消除信号的失真和衰减，使信号的波形强度达到要求，将信号整形并放大再转发出去，
2. 集线器（hub）
- 功能：是一个多端口的中继器，工作在物理层。