计算机网络第二章物理层

2.1.1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
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 定义标准
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
电气特性：规定传输二进制位时，线路上型号的电压范围，阻抗匹配，传输效率和距离限制等
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
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数据通信基础知识

数据通信相关术语
数据：传送信息的实体，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：代表信息的参数取值是离散的
模拟信号：代表型号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
以传输信号划分，模拟信道(模拟信号),数字信道(数字信号)
以传输介质划分，无线信道，有线信道

三种通信方式
单工通信：已有一个方向的通信，一条信道
半双工通信：通信双方都可以发送或接受信息，但不能同时，两条信道
全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，两条信道

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(常用于计算及内部数据传输)

2.1.3码元,波特,速率,带宽

码元：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，数字通信中数字信号的计量单位，该时长称为码元宽度，这个时长内的信号称为k进制码元 1码元可以携带多个比特的信息量
速率：数据率，数据传输速率，单位时间内传输的数据量，码元传输速率和信息传输速率
码元传输速率：码元速率，波形速率，调制速率，符号速率等，单位之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
信息传输速率：信息速率，比特率，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数 b/s
带宽：网络的通信线路所能传输数据的能力，最高数据率 b/s

2.1.4奈氏准则和香农定理

影响失真程度的因素：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：接收端收到的信息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，宽带受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元速率为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 = 2W\(log_{2}\)V (b/s) V为几种码元/码元的离散电平数目

香农定理：在宽带受限且有噪声的信道中，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 = W\(log_{2}(1+S/N)\)V (b/s)
信噪比(dB) = 10\(log_{10}(S/N)\) S为信号平均功率，N为噪声平均功率
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

2.1.5编码与调制

信道上传输的信号：
基带信号：将数字信号1和0直接用两种不用电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)，发出的 直接表达了要传输的信息的信号，比如说话的声波
宽带信号：将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，再送到模拟信道上传输(宽带传输)，把基 带信号进行载波调制，以便将信号的频率范围搬移到较高的频段在信道中传输
传输距离近，帅减少，基带传输，传输距离远，衰减大，宽带传输
数字数据，数字发送器(模拟数据，PCM编码器)----->数字信号 编码
数字数据，调制器(模拟数据，放大器调制器)----->模拟信号 调制

数字数据编码为数字信号：

非归零编码：高1低0，收发双方难以保持同步
归零编码：信号电平在一个码元内都要恢复到0的状态
反向不归零编码：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
曼彻斯特编码：先高后低位1，先低后高为0(可相反，具体看规定),所占频带宽度是原始基带宽度2
倍，数据传输速率是调制速率的1/2
差分曼彻斯特编码：同1异0
4B/5B编码：用5个比特来编码4个比特的数据再传出，效率80%

模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的事二进制数据(数字音频)，将模拟音频通过采样，量化，转化成有限数字表示的离散序列(音频数字化) 抽样，量化，编码三步走
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，f(采样频率)>=2f(信号最高频率)
量化：把抽样得到的电平幅度按一定的分级标准转化为对应的数字值取整
编码：把量化的结果转化为对应的二进制编码

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与接收设备之间的物理通路 传输介质：
导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播
非导向性传输介质：自由空间，介质可以为空气，真空，海水，无线电波，微波，红外线，激光等

双绞线：两根采用一定规则并排绞合的，相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
屏蔽双绞线(STP)/非屏蔽双绞线(UTP)：双绞线外加(不加)一个由金属丝编织成的屏蔽层便宜，在局域
网和传统电话网中普遍使用

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构成

光纤：利用光脉冲来进行通信，有光脉冲表示1，无光脉冲表示0，可见光的频率大约1e8MHz，光纤通信
系统的宽带远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
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，康雷电和电气干扰性好，无串音干
扰，保密性好，不易被窃听或截取数据，体积小，重量轻

无线电波：信号向所有方向传播
微波(地面微波接力通信，卫星通信)，红外线，激光(要转成各自的信号格式)：信号延固定方向传播

2.3物理层设备

中继器：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，延长网络长度，仅作用于信号的电气部分，中继器两端的网段必须同一协议
5-4-3规则：只能由最多不超过5个网段，4个设备，只有3个段可以连接计算机

集线器(多口中继器)：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，延长网络长度，不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备，不能分割冲突域

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