25王道——计算机网络知识点总结第二章

第二章——物理层

• 物理层的任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输。

补充：通信基础基本概念

一、信源、信宿、信号、信道

• 数字信号：值离散

  

• 模拟信号：值连续

  

二、码元的概念

• 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。

• 每一个信号 == 一个码元

• “信号周期” -> 码元宽度

• 一个码元（信号）有4种状态 ==> 4进制码元 ==> 一个码元携带2比特的数据（00 01 10 11）；

• 用模拟信号设计4进制码元

重点：码元与比特的关系

• 码元所携带的比特数与一个“周期”内出现的信号的种类数有关
• 一个“周期”内出现K种信号，则：

$$1码元={\log }_{2}K(bit)$$

三、速率

注：一个码元携带n比特 ===> 波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s

四、信道的极限容量

噪声

概念：对信道产生干扰，影响信道的数据传输速率。

你和同学交流时，另一个同学在旁边背单词，即为噪声；

奈奎斯特定理

对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），极限波特率 = 2W （单位：波特，即码元/秒），极限比特率 = $2W{\log }_{2}Kb/s$。

本节提到的W 是信道的频率带宽（单位：Hz）

香农定理

对于一个有噪声、带宽有限的信道，极限比特率 = $W{\log }_2(1+S/N)$ （单位：b/s）

信噪比

$$信噪比=\frac{S}{N}=\frac{信号的功率}{噪声的功率}$$

• 在通信领域，信号功率往往比噪声功率大得多，比如网线信号功率 > 10W，而电场、磁场噪声干扰极小，导致产生的信噪比极大，如图所示：

​ 所以采用“db（分贝）”为单位表示信噪比：
$$信噪比=10{\log }_{10}S/N单位：db(分贝)$$

奈奎斯特定理&香农定理

五、编码&解码、调制&解调

• 常用的编码方法

• 常用调制方法

PS：若想让一个码元携带更多比特，可以让设计的幅值、频率、相位的数目增大，例如：
$$y=\{\begin{array}{cc}& 0\cdot \sin 2x\\ & 1\cdot \sin 2x\\ & 2\cdot \sin 2x\\ & 3\cdot \sin 2x\end{array}$$
若设计K个幅值，则一码元 $ = \log_{2}{K};bit$

• 正交幅度调制

• 常用的QAM调制方案

六、传输介质（传输媒体 transmission medium）

• 导向型：指信号朝固定方向传播，通常有线传输介质为导向型。
• 非导向型：信号会朝四面八方传播，通常为无线传输介质。

双绞线

• 抗干扰能力：通过提高绞合度、增加屏蔽层，可以提升抗电磁干扰的能力，从而使信道噪声功率降低，

​ 极限速率升高。

同轴电缆

光纤

前置知识

• 光的全反射特性（个人总结版）：当光线从光密介质（即高折射率介质）进入到光疏介质（低折射率介质），且光线的入射角大于临界角（使全反射发生的最小入射角），折射光线消失，只存在反射光线，即全反射现象。

• 中继器的功能：中继器的主要功能是对信号进行再生和还原。中继器是一种工作在OSI模型物理层的网络设备，它的主要作用是通过重新发送或转发数据信号来扩大网络传输的距离。具体来说，中继器的功能包括：

  • 信号再生：中继器能够接收到的信号并进行复制，然后发送到另一个节点。这个过程中，中继器会对信号进行重新生成，以确保信号的质量，使其适合于下一个传输阶段。
  • 信号还原：由于信号在传输过程中会衰减，中继器可以放大这些信号，以保持其强度，从而延长信号的有效传输距离。
  • 延长网络长度：通过上述功能，中继器有助于延长网络的长度，使得信号可以在更远距离上传输，从而扩展网络的覆盖范围。

原文链接：计算机网络-物理层设备（中继器 集线器）

• 多模光纤：纤芯更粗、可同时传输多条光线、信号传输损耗更高。适合较近距离传输。通常为橙色、绿色外皮。

• 单模光纤：纤芯更细（9μm左右）、直径小于一个波长、只能传输一条光线、信号传输损耗低、适合远距离传输。通常为黄色外皮。

以太网对有线传输介质的命名规则

速度 + Base + 介质信息

• Baseband：基带传输、即传输数字信号（采用曼彻斯特编码）

无线传输介质

物理层接口的特性

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、引脚数目、引脚数量和排列情况
2、电气特性：规定传输二进制位时，线路信号上的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制（某网络在物理层规定，信号的电平用+10v到+15v表示二进制0，用-10v到-15v表示二进制1，电线长度限于15米以内）
3、功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线用途（描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时）
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

原文链接：计算机网络第六讲——物理层接口特性

七、物理层设备

中继器

• 由于传输距离太长，数字信号就会失真，如果想增长网络覆盖的距离，就需要中继器这种设备，利用中继器让信号整形再生，减小信号的失真程度。

单工、半双工和双工通信

• 单工通信只支持信号在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。
• 半双工通信允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。
• 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输。

原文链接：三种通信方式——单工、半双工和双工通信_简述通信线路的三种工作方式。-优快云博客

集线器

• 冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两台主机处于同一个“冲突域”。处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”。
• 以太网交换机可以“隔离”冲突域。

集线器、中继器的一些特性

• 5-4-3 原则：使用集线器（或中继器）连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段、使用4台集线器（或中继器），只有3个网段可以挂接计算机。

• 逻辑上是总线形拓扑结构：数据"广播式"传输，存在“信道争用”问题。

• 国内教材：中继器、集线器不能连接物理协议不同的网段，也不能连接速率不同的网段。