计算机网络Part2 物理层0. 重点和文章导图1. 物理层的相关基本原理2. 物理层传输媒体3. 物理层设备

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我是靠谱客的博主标致龙猫，最近开发中收集的这篇文章主要介绍计算机网络Part2 物理层0. 重点和文章导图1. 物理层的相关基本原理2. 物理层传输媒体3. 物理层设备，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

关于计算机网络的全部笔记章节
计算机网络Part1 概述
计算机网络Part2 物理层
计算机网络Part3 数据链路层
计算机网络Part4 网络层
计算机网络Part5 传输层
计算机网络Part6 应用层

0. 重点和文章导图

重点导图
文章结构导图

1. 物理层的相关基本原理

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，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 → 定义标准

物理层的四个特性：
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、引线数目、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.规格特性：(过程特性）指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

1.2 数据通信的基本知识

参考下面这个典型的数据通信模型：
在这里插入图片描述

通信过程中的基本概念：

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，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信道的分类：
信道按传输信号分可分为模拟信道（传送模拟信号）和数字信道（传送数字信号)
按传输介质分可分为无线信道和有线信道。
信道上传送的信号：
基带信号（用电压表示的数字信号，传送到数字信道上去传输（基带传输））
宽带信号（基带信号进行调制后形成的模拟信号，传送到模拟信道上去传输（宽带传输））

信道上的两种信号的应用：
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

信号传输方式：

单工、半双工和全双工传输通信：
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。
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。
全双工通信通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
同步传输和异步传输
同步传输：比特一个接一个传输，中间无间隔，各比特持续时长相等。需要收发双方时钟同步，有以下两种方法
1.外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
2.内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（比如曼彻斯特编码）
异步传输：以字节为单位进行传输,字节之间的间隔不固定。但每个字节内的比特持续时长是相等的。换句话说，字节间异步，比特间仍是同步的。为此,需要给每个字节添加起始位和结束位。
串行和并行：
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

1.3 码元、波特、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。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，一个码元带了1个比特。四进制，一个码元带了2个比特；十六进制，一个码元带了4个比特。
速率：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。
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（也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，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。即1s传输多少个码元。
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）。即1s传输多少个比特
两种速率的关系：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 （或称bps）。

1.4 信道的极限容量

失真，由于现实中的信道：带宽受限、有噪声、干扰

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

信号带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差
比如：
注意：只有在奈氏准则和香农定理里的带宽单位才用hz
奈氏准则（侧重于求码元的极限传输速率）：

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。
理想低通信道下的极限数据传输率=2 * W log2的V（单位b/s） （W是带宽，V是码元种数）

关于奈氏准则的几点注意：
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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
⒉.信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多)，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，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
噪声
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即:
信噪比（单位dB） = 10 * log10的（S/N）（单位b/s）
香农定理（侧重于求比特的传输速率）：

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
信道的极限传输速率 = W * log2的（1+S/N）（单位b/s） （W是带宽，S/N是信噪比，S是信道所传信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率，这两点一般为计算的已知条件）

关于香农定理的几点注意：
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。
5.从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比s/N没有上限〈不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

1.5 编码与调制

编码：数据→数字信号
调制：数据→模拟信号
（数据无论时数字信号还是模拟信号）
在这里插入图片描述

数字数据编码为数据信号 的编码方式

非归零编码【NRZ】：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。
曼彻斯特编码：（必翻转）将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1;码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步),又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
差分曼彻斯特编码：（看前的后半和后的前半）同1异0，常用于局域网传输，其规则是: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，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
归零编码【RZ】：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
4B/5B编码：（不蛮懂）比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
只采用16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留。

数字数据调制为模拟信号 的调制方式

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。

方法：调幅、调频、调相、调幅+调相（QAM）
模拟数据编码为数字信号 的编码方式

高保真、在音频信号上的处理、音频数字化。
方法（PCM脉码调制）：抽样（f采样频率>=2f信号最高频率）→量化→编码
模拟数据调制为模拟信号的调制方式（略）
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率

2. 物理层传输媒体

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0层，在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体不懂传输信号的意思。但物理层聪明一点，能识别所传送的比特流。

传输介质分为两类：导向性的（比如铜线、光纤等）和非导向性的（比如空气、海水等）

2.1 导向性传输介质：

双绞线
同轴电缆
光纤

光纤可分为单模和多模光纤两种：

2.2. 非导向性传输介质

无线电波：方向向所有方向传播。有较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。
微波：信号固定方向传播。微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。用于地面微波接力通信和卫星通信。
红外线、激光：信号固定方向传播。把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号再在空间中传播。

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，延长网络的长度。

中继器的两端：
1.两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
2.中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
3.两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
4.中继器两端的网段一定要是同一个协议。(中继器不会存储转发，因为它很傻)

5-4-3规则: 网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
集线器（多口中继器）：再生，放大信号。对装减的信号进行放大，接看转发到其他所有（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，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
注意：集线器和各个主机组成星型拓扑结构；集线器不能分割冲突域；连在集线器上的工作主机平分带宽。