王道计算机网络笔记 第二章：物理层

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王道计算机网络笔记 第一章：概述

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第二章

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$\to 定义标准$

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、引线数量、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的关系

二、数据通信基础知识

1.典型的数据通信模型

2.数据通信相关术语

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，因此一条通信路线往往包含一条发送信道和一条接收信道
  • 传输信号
    • 模拟信道（传送模拟信号）
    • 数字信道（传送数字信号）
  • 传输介质
    • 无线信道
    • 有线信道

3.三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

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，也需要两条信道

4.两种数据传输方式

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
• 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）

三、码元、波特、速率、带宽

1.码元

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大于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。

在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

在使用四进制编码时，有四种不同的码元，00,01,10,11，对应四种不同高度的电平

码元携带多少比特信息,与码元的进制有关。 例如一个4进制码元,他就有四种不同的形态,分别表示0,1,2,3;对应的二进制就是00,01,10,11;可见需要两位2进制数才能表示,因此他就携带了2比特的信息。 同理,8进制码元,携带3比特信息 ………… M进制码元,携带log₂(M)比特信息。

2.速率、波特、带宽

速率与波特

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、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为码元传输速率或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。

1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。

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（b/s）

1s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。

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。

四、奈氏准则和香农定理

1.失真

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率（正相关）
2. 信号传输距离（正相关）
3. 噪声干扰（正相关）
4. 传输媒体质量（负相关）

失真的一种现象——码间串扰

信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差

3300Hz-300Hz=3000Hz

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

2.奈氏准则（奈奎斯特准则）

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。

极限数据率

理想低通信道下的极限数据传输率=$2W{\log }_2$