计算机网络笔记2

第二章 物理层

2.2.1 物理层基本概念

物理层解决如何在连接在各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体。
物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 - -> 定义标准
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 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。

2.1.2 数据通信的基础知识

手机终端 数字信号 调制解调器 模拟信号 广域网（公用电话网） 模拟信号 数字信号 手机终端

输入信息 信源 输入数据 发送器 发送的信号 传输系统 接收的信号 接收器 输出数据 信宿 输出信息

源系统 传输系统 目的系统

通信的目的是传送消息
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：代表消息的参考取值是离散的
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：接收数据的重点。
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收信道。
传输介质分为有线信道和无线信道。
传输信号分为模拟信号和数字信号。

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，仅需一条信道。
2、半双工通信 通信双方都可以发送或接受消息，但任何乙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。

2.1.3 码元、波特、速率、带宽

码元是指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，而时长称为码元宽度。

2.1.4 奈氏准则和香农定律

失真
失真分为两种，有失真但可识别、失真太大无法识别
影响失真的因素有：码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量

失真的一种现象–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：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

理想低通信道下的极限数据传输率 = 2Wlog2V bps
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线，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端
对码元的完全正确认识成为不可能。
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比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

例如，在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM的调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？
信号有44种变化
最大数据传输率 = 23000*log2(16)=24 kbps

香农定律
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，因此噪声会使接受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。
SNR = 信号平均功率/噪声平均功率 ，用db作为单位。
SNR = 10log10（S/N)
香农定律:在带宽首先且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输率有上限值。
信道的极限数据传输率= Wlog2(1+S/N) bps ，其中W是带宽，S/N是信噪比

根据香农定律得出的推论：
1.信道的带宽越大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，信息传输速率的上线就确定了。
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.香农定律得出的是极限的信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5.若信道带宽W或信噪比SNR没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也没有上限。

例如：电话系统的典型参数是信道带宽为3000HZ，信噪比是30db，则该系统的最大数据传输速率是多少？
30db = 10log10（SNR) => SNR = 1000
Wlog2(1+SNR) = 3000*log2(1+1000) = 30 kbps

2.1.5 编码与调制

基带信号与带宽信号
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某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。

信道上传送的信号有基带信号和带宽信号。
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。
将系带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上传输（带宽传输）。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带以便在信道中传输（即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，计算机网络采用带宽传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能够最后过滤出来基带信号）

编码与调制
数据->数字信号 编码
数据->模拟信号 调制

数字数据编码为数字信号
（1）非规律编码 NRZ
（2）曼彻斯特编码
（3）查分曼彻斯特编码
（4）归零编码 RZ
（5）反向不归零编码 NRZI
（6）4B/5B编码

NRZ很容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至收发双发难以保持同步。

数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号调制为模拟信号，而在接收端将模拟信号解调为数字信号。

模拟数据编码为数字信号
最典型的例子是对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM）。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。采样频率要大于等于信号最高频率的2倍。
2、量化 把连续的电平信号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。

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，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。

2.2 物理层传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它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，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传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。
说白了物理层是傻瓜，传输媒体连傻瓜都不如。

传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体。
导向传输媒体：双绞线，根据右手准则，双绞线产生的电磁波大小相等相互抵消。广泛用于局域网和传统的电话网。
同轴电缆：主要用于有线电视系统。
光纤：纤芯高折射率高于包层，入射角大于临界值出现全反射。多模光纤使用发光二极管作为光源，色散严重适合短距离传输，单模光纤使用半导体激光作为光源，衰减小，适合长距离传输。

非导向性传输介质
无线电波：信号向所有方向传播，较强的穿透能力，可远距离，广泛用于手机通信。
微波：信号方向固定，微波通信频率较高、频段范围宽，数据率很高。微波通信有地面微波接力通信，卫星通信。卫星通信的优点是1.通信容量大，2.距离远，3.覆盖广，4.广播通信和多址通信。缺点是1.传播时延长（250ms）2.受气候影响大（强风、太阳黑子爆发、日凌）3.误码率较高，4.成本高
红外线、激光。

2.3 物理层设备

中继器：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度将噪声信号失真，因此会导致接收错误。中继器的功能是对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的据理财，延长网络的长度。中继器属于傻瓜设备，中继器两端是同一个协议。

集线器（多口中继器）
对信号进行再生放大，对衰减信号进行放大，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。
集线器不能分割冲突域，连在集线器上的工作主机平分带宽。