计算机网络—物理层

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。

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性

1. 机械特性：引线数目、引脚数量
2. 电气特性：电压范围、速率、距离
3. 功能特性：某一电平表示何种意义
4. 规程特性：各条物理线路的工作规程和时序关系

二、数据通信基础知识

数据通信相关术语：

数据： 发送信息的实体，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。有数字信号和连续信号两种。
       - 数字信号： 代表消息的参数取值是离散的。

       - 连续信号： 代表消息的参数取值是连续的。

信源： 产生和发生数据的源头。
信宿： 接收数据的终点。
信道： 信号的传输媒介。一般用来表示某一个方向发送信息的介质，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。
信道根据传输信号和传输介质进行分类：

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，需要两条信道。

两种数据传输方式：

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。
   

三、码元、速率、带宽

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（0或1是二进码元）码元，而时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时，此时码元为M进制码元。
     码元可以携带多个比特的信息量。 例如，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。

速率：（实际情况下的传输速率） 也叫数据率，是指数据的传输速率（从主机到链路上的传送速度，与传播速率不同），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。

• 码元传输速率：（1s内可以往信道上传输多少个码元） 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化的次数） ，单位是波特（1波特=1码元/s）。1波特表示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。
• 信息传输速率：（1s内传输多少比特） 表示单位时间内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）。
        码元传输速率和信息传输速率的关系： 若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M 波特 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M*n bit/s。

带宽：（理想情况下的最高传输速率） 表示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

失真

影响失真的因素：

1. 码元的传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 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（奈奎斯特定理）

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（波特），W是信道带宽，单位是Hz。

信道的极限数据传输速率：

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，使接收端不能完全正确识别码元。
2. 信道的带宽越大，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氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须使每个码元携带更多个比特的信息量。

香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值。
信道的极限数据传输速率：

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。

五、编码与调制

基带信号与宽带信号

编码与调制

编码： 将数据转为数字信号
调制： 将数据转为模拟信号

数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码（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，以至于收发双方难以保持同步。
2. 曼彻斯特编码：
      将一个码元分成两个相等的间隔，前高后低表示1，前低后高表示0，也可采取相反的规定。每一个码元被调成两个电平，所以数据传输速率是码元传输速率的二分之一（可以看成一个时钟周期内有两个码元，只有一个bit）。
3. 差分曼彻斯特编码（同1异0）：
      若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则电平相反。可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
   

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转换为模拟信号，而且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。
调制方法：

模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数据音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
脉码调制（PCM）：

1. 抽样： 对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了是所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，需要使用采样定理进行采样：。
2. 量化： 把抽样取得的电平赋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换为离散的数字量。
3. 编码： 把量化的结果转换为对应的二进制编码。

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。

六、传输介质

传输介质及分类

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第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输的信号是什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能识别所传输的比特流。

导向性传输介质

1. 双绞线
   双绞线是古老、又最常用的传输介质，他是由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
   
   双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统的电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器发大衰减信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
2. 同轴电缆
   同轴电缆由导体铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层组成。按特性阻抗数值不同，分为基带同轴电缆（用于传输基带数字信号）和宽带同轴电缆（用于传送宽带信号）。

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

3. 光纤
   光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲代表1，无光脉冲代表0。而可见光的频率很大，所以光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
   光纤主要有纤芯（实心的）和包层构成，光通过纤芯进行传导。
   光纤的特点：
   • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
   • 抗雷电和电磁干扰性能好。
   • 无串音干扰，保密性好，也不容易被窃听或截取数据。
   • 体积小，重量轻。

非导向性传输介质

七、物理层设备

中继器

• 诞生原因 ： 由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
• 功能： 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，延长网络的长度。

集线器（多口中继器）

功能： 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其它所有（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。