物理层——通信基础、传输媒介、物理层设备

一、信道、信号、宽带、码元、波特、速率、信道容量等基本概念

1. 信道：信道（channel）。信道和电路并不等同。信道一般表示像某一个方向传送信息的媒体。从通信的交互方式来看有三种基本方式：单共通信、半双工通信、全双工通信。
2. 信号：信号（signal）是数据的电气或电磁的表现。可以分为两大类，即，模拟信号或连续信号——代表消息参数的取值是连续的；数字信号或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。
3. 带宽：带宽（bandwidth)是“频带宽度”的简称，指在单位时间内能传输的数据量,用赫兹做测量单位。
4. 码元：代表不同离散值的基本波形。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。
5. 波特：波特（baud），每秒钟信号的改变数目，每次改变能编码信息的一位或多位。
6. 速率：速率是指计算机网络中的主机在数字信道上，单位时间内从一端传送到另一端的数据量，即数据传输率，也称数据率或比特率。比特(bit)是数据量的最小单位，s(秒)是时间的最小单位。所以速率单位为bit/s或bps(bit persecond)，类似1B=8b1B/s=8b/s或1Bps=8bps
7. 信道容量：以数据传输速率为指标来表征一个信号传输数字的能力，即信道所能支持的最大数据传输速率。取决于信道本身的特征——带宽和信噪比，与具体的通信手段无关。
8. 数据：数据（data）运送消息的实体。
9. 吞吐量：吞吐量是指对网络、设备、端口或其他设施在单位时间内成功地传送数据的数量（以比特、字节等测量单位），也就是说吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接收并转发的最大数据速率。
10. 波特率：波特率指的是信号每秒钟电平变化的次数，单位是Hz。比如一个信号在一秒钟内电平发生了365次变化，那么这个信号的波特率就是365Hz。
11. 比特率：比特率是信号每秒钟传输的数据的位数，我们知道在计算机中，数据都是用0，1表示的，所以比特率也就是每秒钟传输0和1的个数，单位是bps（bit per second）。一般的，bit rate = buad rate × log2L，这里L就是信号电平的个数。即比特率 = 2 ×波特率。

二、奈奎斯特定理与香农定理

1. 奈奎斯特定理
   定义：对具有矩形频谱的无噪声信道，若信道带宽为B Hz，所能传送信号的最高码元速率为2B波特，则离散的、数字信道容量C为 ：Cmax=2×B×log2L。这里Cmax指的是信道的最大容量，B是信道的带宽，L还是信号电平的个数。
2. 香农定理：***Cmax=B×log2（1+（S/N））***。S/N指的是信道的信噪比，但是我们一般测量出来的以db为单位的是经过***1db=10×log10（S/N）***换算。

三、编码与调制、多路复用与扩频

1. 编码与调制
   （1）信源的信号常称为“基带信号”，如计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为解决这一问题，必须对基带信号进行调制。
   （2）调制分为基带调制和带通调制两大类。基带调制，把一种数字信号转化成另一种数字信号，一般称为编码，变化后仍是基带信号。带通调制，需要用载波进行调制，把基带信号的频率搬移到较高的频段，并转化为模拟信号，载波调制后的信号称为带通信号。
   （3）编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特编码（具有同步能力，局域网中使用这种编码）、差分曼彻斯特编码。
   （4）基本带通调制方法：调频（FM）、调幅（AM）、调相（PM）。
2. 多路复用：复用（Multiplexing）。
   （1）频分复用（FDM）：频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
   （2）时分复用（TDM）：时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的带宽资源。
   （3）统计时分复用（STDM）：一种改进的时分复用。
   （4）波分复用（WDM）：就是光的频分复用。
   （5）码分复用（CDM）：是另一种共享信道的方法。更常用码分多址（CDMA），有很强的抗干扰能力。

四、电路交换、报文交换与分组交换

1. 电路交换：整个报文的比特流从源点连续的直达终点，像在一个管道中传输。一条专用的物理线路，必须经过“建立连接”、“通话”、“释放连接”。在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。线路的传输效率低。
2. 报文交换：将整个报文转发到相邻节点，全部存储下来，查找转发表，转发到下一个节点。采用存储转发技术，通常把要发送的整块数据称为报文。
3. 分组交换：将报文分组转发到相邻节点，查找转发表，转发到下一个节点。采用存储转发技术。
   

五、数据报与虚电路

1. 为面向连接的会话建立的通信信道自然是逻辑的，常被称作虚电路(virtual circuit)，它关心的是端点。与在网络上寻求一条实际的物理路径相比，这条信道更关心的是保持两个端点的联系。在有多条到达目的地路径的网络中，物理路径在会话期间随着数据模式的改变而改变，但是端点(和中间节点)一直保持对路径进行跟踪，虚电路，应该是指“意”的虚。就是存在那么一条电路，逻辑上好象是固定的存在的，但事实它是随着会话的不同而使用不同的路径。也就是说没有一条固定的路径。它是在通信过程中灵活地变动的。具体使用哪条路径以及如何操作，通过三次握手来进行建立。在发握手信号的过程中，知道了发送方与接收方，然后建立一条路径。这条路径是一条逻辑上的电路。
2. 从占用通信子网资源方面看：虚电路服务将占用结点交换机的存储空间，而数据报服务对每个 其完整的目标地址独立选径，如果传送大量短的分组，数据头部分远大于数据部分，则会浪费带宽。
3. 从时间开销方面看：虚电路服务有创建连接的时间开销，对传送小量的短分组，显得很浪费；而数据报服务决定分组的去向过程很复杂，对每个分组都有分析时间的开销。
4. 从拥塞避免方面看：虚电路服务因连接起来的资源可以预留下来，一旦分组到达，所需的带宽和结点交换机的容量便已具有，因此有一些避免拥塞的优势。而数据报服务则很困难。
5. 从健壮性方面看：通信线路的故障对虚电路服务是致命的因素，但对数据报服务则容易通过调整路由得到补偿。因此虚电路服务更脆弱。
6. TCP的特性就是面向连接的，是可靠传输，可以差错控制和流量控制，TCP的数据传送是建立在虚电路的基础上的。
   

六、传输介质

传输介质：也称传输媒体，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。可分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

1. 导引型传输媒体
   1.1 双绞线。屏蔽双绞线（STP），无屏蔽双绞线（UTP）
   1.2 同轴电缆
   1.3 光缆。分类有单模和多模光纤。
2. 非导引型传输媒体
   1.1 卫星通信、电磁波、红外线

七、物理层设备

中继器
中继器又称为转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号由于经过一长段电缆，因噪声或其他原因而 造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，来扩大网络传输的距离。其原理是信号再生（而不是简单地将衰减的信号放大）。中继器有两个端口，将一个端口输入的数据从另一个端口发送出去，它仅作用于信号的电气部分，而不管 数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。放大器和中继器都是起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，中继器放大的是数字信号， 原理是将衰减的信号整形再生。
集线器
集线器实质上是一个多端口的中继器，也工作在物理层。在Hub 工作时，当一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub 的传输过程中已经有了衰减，所以Hub 便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口以外）处于工作状态的端口上。如果同时有两个或多个端口输入，则输出时会发生冲突，致使这些数据都成为无效的。从Hub 的工作方式可以看出，它在网络中只起到信号放大和转发的作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具有信号的定向传送 能力，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。多台计算机同时通信必然会发生，所以集线器不能分割冲突域，所有集线器端口都属于同一个冲突域。

最后

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