[网络协议]计算机网络——第二章

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
1.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、引脚数量和排列情况。
2.电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围、抗阻匹配、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电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
4.规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

典型的数据通信模型：

数据通信相关术语

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。
1.数字信号：代表消息的参数取值是离散的。
2.模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。

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。
分类：
1.按传输信号分：模拟信道、数字信道
2.按传输介质分：无线信道、有线信道

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数据。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受数据，也需要两条信道。

数据传输方式：
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

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>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。

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来表示。
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，他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波特表述数字通信系统每秒传输1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。1Baud=1码元/s一秒传输多少个码元
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码元个数（即比特数），单位是比特/秒。一秒传输多少个比特
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。

练习：

影响失真程度的因素：
1.码元传输速率
2.信号传输距离
3.噪声干扰
4.传输媒体质量

信道带宽：
信道能够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。

???奈式准则：
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。
2.信道的频率带宽（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播。
3.奈式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式准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能够携带更多个比特的信息量，这就需要采用更多元制的调制方法。

练习：

噪声：
存在于所有电子设备和通信信道中，由于噪声随机产生，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，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，并用分贝（dB）作为度量单位，即：
信噪比（dB）=10log₁₀(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。

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信噪比，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来实现无差错的传输。
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线。

练习：

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，像计算机传输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。

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，再传送到模拟信道上去传输（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通过信道）。

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输的方式；反之，采用宽带传输的方式。

数字数据编码：
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，以至于收发方难以保持同步。

2.曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平，后一个间隔为高电平则表示为0，反之为1.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，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个电平相同；若为0，则相反。该编码的特点：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。

4.归零编码【RZ】：信号电平在一个码元内都要恢复到零的这种编码方式

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。遇到0就翻转，遇到1就不变

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，之后再传给接收方。编码效率为80%。

数字数据调制：
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。

练习

PCM：（模拟信号编码为数字信号）
对音频信号进行编码的脉码调制。能够达到最高保真水平。
步骤：
1.抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变为时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，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度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转化为离散的数字量。
3.编码：把量化的编码转化为与之对应的二进制编码。

频分复用（模拟信号调制为模拟信号）

传输介质：
也称为传输媒体/传输媒介，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。
传输介质并不是物理层
分类：
1.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。
1）双绞线：最古老、最常用的传输介质，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。

2）同轴电缆：由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层、塑料外层组成。基带同轴电缆：50Ω同轴电缆；宽带同轴电缆：75Ω同轴电缆。

3）光纤：主要由纤芯和包层组成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。

光纤特点：
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能好；
3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听和截取数据；
4.体积小，重量轻。

2.非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。
1）无线电波：信号向所有方向传播。较强穿透力，可传远距离，广泛应用于通信领域。
2）微波：信号固定方向传播。微波通信频率较高、频段范围宽，数据率很高。
a.地面微波接力通信
b.卫星通信
3）红外线、激光：信号固定方向传播。把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

中继器：
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。再生数字信号

集线器：（多口中继器）
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（除输入端口外）处于工作状态的端口上，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。