[计算机网络006]物理层概述：-优快云博客

一、常见数据通信术语：

数据：传输消息的实体。

信号：数据的电气或电磁的表示。

模拟的：参数的取值是连续的。

数字的：参数的取址是离散的。

码元：信号的基本单元。

频带：信号频率范围。

二、同步通信和异步通信：

计算机网络中的同步通信和异步通信是两种基本的数据传输方式，它们在时钟依赖、数据帧以及效率等方面存在显著区别。以下是对这两种通信方式的详细比较：

时钟依赖

同步通信：要求发送端和接收端的时钟频率保持一致，以确保数据的准确传输。
异步通信：不要求发送端和接收端的时钟频率一致，字符之间的时间间隔可以是任意的。

数据帧

同步通信：通常以数据帧为单位进行传输，每个数据帧包含多个字符，没有开始位和停止位。
异步通信：以字符为单位进行传输，每个字符前后都加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。

效率

同步通信：由于数据连续传输，且不需要额外的开始位和停止位，因此传输效率较高。
异步通信：每个字符都需要额外的开始位和停止位，导致传输效率相对较低。

应用场景

同步通信：适用于高速、大容量的数据传输场景，如计算机内部的总线传输（如PCIe总线）、网络通信（如以太网等高速网络连接）等。
异步通信：适用于低速、短距离的数据传输场景，如键盘、鼠标与计算机之间的通信，以及某些不需要高速传输的场合。

三、模拟通信和数字通信：

三、传输媒体：

传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质。

四、编码与调制：

1.定义：

编码和调制是两个不同的过程：二者都是将基带信号转化为合适的可以在信道之中传输的信号

编码：编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。例如，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

调制：调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。例如，调幅（Amplitude Shift Keying, ASK）、调频（Frequency Shift Keying, FSK）和调相（Phase Shift Keying, PSK）。

2.码元的概念：

3.常用的编码方法：

(1)双极性不归0编码：

也是NRZ：最简单的编码表示：每一位编码占据了全部码元的宽度。

(2)双极性归0编码：

在每个码元被分割为两个部分，前半部分用来表示正负，后半部分归0。

(3)曼彻斯特编码：

码元的中间时刻的电平跳变即表示时钟信号，也表示数据。自行定义正跳和负跳代表的信号。

(4)差分曼彻斯特编码：

码元中间时刻的电平跳变仅仅表示时钟信号，而不是数据，数据的表示在于每一个码元开始的阶段是否有电平的跳变：无跳变为1，有跳变表示0

4.调制方法：

我们使用基本的调制方法（即调幅、调频、调相）：1个码元只能包含一个比特的信息，如何让1个码元包含更多的比特信息呢？我们可以使用混合调制方法：由于，频率和相位是相关的：即频率是相位随着时间的变化率。所以载波的频率和相位不能混合调制。一般采用：振幅和相位混合调制

五、信道的极限容量：

1.信号失真：

传输速率越快，信号越容易失真。

传输距离越远，信号越容易失真。

噪声干扰越大，信号越容易失真。

传输媒体质量越差，信号越容易失真。

最主要的原因：对于数字信号这类方波而言：我们可以看作是由多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。在传输的过程之中很容易使每个码元之间的时间界限没有那么明确。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的界限，这种现象称为码间串扰。如果信道的频率越来越宽，那么可以接受的信号的高频分量越多，那么码元的传输速率就可以更高，进而就不会导致码间串扰

2.奈氏准则：

(1)码元传输速率：

又被称为码元速率、波特率。他表示单位时间内数字通信系统所传播的码元个数。其单位为波特（Baud）/秒。

(2)信息传输速率：

又被称为信息速率、比特率。表示单位时间内数字通信系统所传播的码元的个数。其单位为比特/秒。如果一个码元携带nbit的数据，那么对于一个M Baud大小的码元传输速率而言，其信息传输速率：M×nbps

(3)奈氏准则：

在无噪声信道的极限码元的传输速率为2W码元每秒。其中W为理想的带宽，单位为Hz。如果我们用V表示一码元的离散电平数目（即信号状态数），则极限数据传输率为：2WlogV

(4)香农公式：

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率：

C=Wlog(1+S/N) .

其中W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率。S/N即为信噪比。信噪比=10lg(S/N)

六、信道复用技术：

包括：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用、码分复用、

七、中继器和集线器：

1.中继器（Repeater）

定义与作用：中继器是一种用于扩展网络传输距离的设备，主要功能是接收信号、放大信号并重新发送信号。它工作在物理层（OSI模型的第一层），通过增强信号的强度来延长网络覆盖范围。
工作原理：当信号在传输过程中衰减到一定程度时，中继器会接收这个弱信号，进行放大处理后再次发送出去。这样，即使信号源和目的地之间距离较远，也可以通过多个中继器的接力传输来实现通信。
应用场景：中继器广泛应用于需要长距离传输数据的场景，如广域网（WAN）、局域网（LAN）中的远距离连接等。
优点：简单易用，成本低廉，能够有效延长网络传输距离。
缺点：只能放大信号，不能过滤或隔离错误数据，可能导致错误数据的扩散；同时，由于所有数据都需要经过中继器转发，可能会造成一定的延迟。

2.集线器（Hub）

定义与作用：集线器是一种用于连接多台计算机或其他网络设备的中心连接设备，它工作在物理层，可以将多个端口的数据集中到一个共享的冲突域中。
工作原理：当一个设备发送数据到集线器时，集线器会将这个数据广播到除源端口外的所有其他端口上。这意味着所有连接到集线器的设备都可以接收到这个数据包，但只有目标设备会处理这个数据包。
应用场景：集线器通常用于小型网络环境，如家庭、办公室或小型工作组，以实现多台设备之间的互联互通。
优点：价格相对便宜，安装简单，易于扩展网络规模。
缺点：由于所有设备共享同一个冲突域，因此当多个设备同时发送数据时，会发生碰撞（Collision），导致数据传输效率降低；此外，集线器不具备交换功能，无法实现设备间的直接通信。

功能不同：中继器主要用于延长网络传输距离，而集线器则用于连接多台设备，实现设备间的互联互通。
工作层次不同：中继器工作在物理层，而集线器也工作在物理层，但它们的应用场景和目的不同。
数据处理方式不同：中继器只是简单地放大并重新发送信号，而不对数据进行处理；而集线器则需要对收到的数据进行广播处理。