二．物理层

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2.1物理层基本概念

机械特性（引线数，引脚数）

电气特性（电压范围，传输速率和距离）

功能特性（某一电平表示的含义）

规程特性（规程和时序）

2.2数据通信基础知识

2.2.1数据通信术语

数据data

信号

信源

信宿

信道

2.2.2数据通信模型

2.2.3三种通信方式

单工

半双工

全双工

2.2.4数据传输方式

串行

并行

2.2.5同步&异步传输

2.2.6码元

2.2.7速率，波特

码元传输速率（单位：baud,B）

信息传输速率（单位：bit/s,b/s）

2.2.8带宽

2.3奈氏准则&香农定理☆

2.3.1失真

2.3.2码间串扰

2.3.3奈氏准则（奈奎斯特定理）

2.3.4信噪比

2.3.5香农定理

2.3.6如何区分题目使用哪一个定理？

2.4编码与调制

2.4.1前导

2.4.2编码

数字数据->数字信号

非归零编码[NRZ]

归零编码[RZ]

反向不归零编码[NRZI]

曼彻斯特编码[自同步，集大成]

差分曼彻斯特编码

4B/5B编码[80%]

模拟数据->数字信号

抽样，量化，编码，采样率=二倍信号频率

2.4.3调制

数字数据->模拟信号

调幅，调频，调相，调幅+调相

模拟数据->模拟信号

2.5数据交换方式

2.5.1为什么需要数据交换？

2.5.2电路交换[实时]

2.5.3报文交换[存储转发]

2.5.4分组交换

数据报方式

虚电路方式

对比

2.5.5总结

2.6物理层传输介质

2.6.1双绞线

2.6.2同轴电缆

2.6.3光纤

2.6.4非导向性传输介质

2.7物理层设备

2.7.1中继器

2.7.2集线器(多口中继器)

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2.1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，而不是如其名字一样指向具体的传输设备。总的来说，物理层实在对一些传输数据比特流的设备进行标准化。

故其有主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。

其对这些媒体的各方面进行规范：

机械特性（引线数，引脚数）

电气特性（电压范围，传输速率和距离）

功能特性（某一电平表示的含义）

规程特性（规程和时序）

2.2数据通信基础知识

2.2.1数据通信术语

通信的目的是传送消息（消息：语音，文字，图像，视频等）。

数据data

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/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。

    模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。

信源

产生和发送数据的源头。

信宿

接受数据的终点。

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接受信道。

    按传输信号可以分为模拟信道和数字信道；

    按传输介质可以分为无线信道和有线信道。

2.2.2数据通信模型

2.2.3三种通信方式

单工

半双工

全双工

2.2.4数据传输方式

串行

将表示一个字符的八位二进制数按从低位到高位的顺序一次发送。

特点是：速度慢，费用低，适用于远距离。

并行

将表示一个字符的八位二进制数同时通过八条信道发送。

特点是：速度快，费用高，适合近距离。例如计算机主板上的数据传输。

2.2.5同步&异步传输

2.2.6码元

直白的说不同离散数值的基本波形就是码元。

 

 

2.2.7速率，波特

码元传输速率（单位：baud,B）

表示一秒内传输多少个码元。

信息传输速率（单位：bit/s,b/s）

表示一秒内传输了多少比特。

 

2.2.8带宽

拥有更高的带宽就拥有更大的数据运输能力。

2.3奈氏准则&香农定理☆

2.3.1失真

影响失真程度的因素：1.码元传输速率2.信号传输距离3.噪声干扰4.媒体传输质量

2.3.2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。

说白了就是波的频率太高了，接收端反应不过来。

2.3.3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，W是信道带宽，单位是hz。

有时候为了与香农定理混淆，会要求进一步求极限数据率：

2 * W下/s * 码元带的比特位(bit/s)

1. 1. 1. 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。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。
      2. 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。

例题

2.3.4信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信设备信道中。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，常记作S/N，并用分贝作为度量单位。

信噪比（dB）= 10log10(S/N)数值等价

2.3.5香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率是有上限的。

推论：

1. 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，信息的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。

例题：

 

2.3.6如何区分题目使用哪一个定理？

 

例题：

 

 

2.4编码与调制

2.4.1前导

数字数据，模拟数据，数字信号，模拟信号，基带信号，宽带信号，之间什么关系？

如题所示几种信号均为计算机网络中出现的信号，且易搞混，在这里进行简单梳理。

模拟信号：形状连续，可以设想形如sin(x)的形状

数字信号：不连续

在链路上传输的信号分成两种：基带信号，宽带信号

1.基带信号（对应数字信号）：将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，然后传到数字信道上传输，这种传输叫做基带传输，通常用于局域网。

2.频带信号：它也是一种模拟信号，用数字信号对特定频率的载波进行调制，将其变成适合于传送的信号在传输（远距离传输 或 无线传输），不过频带传输和宽带传输有细微不同，宽带传输的子信道比频带传输的子信道更多。

3.宽带信号（对应模拟信号）：借助频带传输，将链路容量分解为两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号 宽带中所有的信道可以同时互不干扰的发送信号。将基带信号调制后形成模拟信号，并在模拟信道上传输，而这种传输叫做宽带传输。

数字数据通过编码可以变成数字信号，方式有：非归零码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码

数字数据通过调制可以变成模拟信号，方式有：幅移键控(ASK)，频移键控(FSK)，相移键控(PSK)，正交振幅调制(QAM)

模拟数据通过编码可以变成数字信号，步骤为：抽样、量化、编码

2.4.2编码

数字数据->数字信号

非归零编码[NRZ]

高电平1低电平0；【无法自同步】

编码容易实现，不能检错功能，且无法识别一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

不归零制没有曼彻斯特编码那样的边沿跳变，因此在不归零制中，接收端无法通过边沿跳变来实现自同步。为了确保接收端能够正确解码数据，不归零制通常需要使用外部时钟信号或其他同步机制来保持发送端和接收端的同步。

归零编码[RZ]

信号在一个码元内都要恢复为0的编码形势。【能自同步，浪费带宽】

反向不归零编码[NRZI]

信号电平反转表示0，反之表示1。【无法自同步，一万个1就是一条线怎么搞？】

曼彻斯特编码[自同步，集大成]

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1；0与之正好相反。当然反过来规定也可以。

最重要的是该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变即可以作为时钟信号（用于同步），又做数据信号。

但是它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

也就是说有得就有失，每一个码元都被调成两个电平，其数据率就是码元速率的一半了。

差分曼彻斯特编码

同0异1。

常用于局域网传输，其规则是：若码元为一，则前半段码元的电平与上一个码元的后半段相同，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变，可以实现自同步，且抗干扰能力强于曼彻斯特编码。

4B/5B编码[80%]

4bit的信息，5bit的码。多余的用来做控制信息。

模拟数据->数字信号

抽样，量化，编码，采样率=二倍信号频率

2.4.3调制

数字数据->模拟信号

调幅，调频，调相，调幅+调相

模拟数据->模拟信号

 

2.5数据交换方式

2.5.1为什么需要数据交换？

在计算机网络中，数据交换是指在不同的计算机或网络设备之间传递数据的过程。

当有多台计算机要进行数据交换时，若每俩台计算机建立一条链路会耗费很大的成本；所以产生了如上图中间所示的星形拓扑结构；若计算机数量巨大时，就会产生交换网络。

2.5.2电路交换[实时]

电路交换的原理：

    在数据传输期间，源结点和目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接的线路，在数据传输完成之前，这条线路一直保存。

其有三个阶段：呼叫连接->通信->释放连接。

 

其特点：

       最主要的特点就是独占链路，在AB建立连接后，交换设备ABCD这条链路就无法被他人使用直到主机AB连接断开。

       独占资源，用户始终占用端到端的固定传输宽带。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求较高的大量数据传输的情况。

2.5.3报文交换[存储转发]

原理：

    无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传输过程采用存储转发的方式。

[*报文（message）:是网络中传输和交换的单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含的将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。]

特点：

最大的特点就是不独占链路且可以存储转发

 

2.5.4分组交换

过程：

先把数据报切块，然后在每个数据块加上头部信息(编号，源地址、目的地址…),然后进行存储转发，最后接收方在拼合成一个数据报。这里的给每一个分组添加一个编号的作用就是可以让接受方按序拼合报文

通俗了讲，就是你在网上买了一套书，分开发货，那一本快递先到不知道，但是你最终还是收到了一套完整的书。

原理：

       分组交换与报文交换的工作方式基本相同就是分组交换网络中传输的数据单位是分组，其被限制的大小，通常是128B。

特点：

他与报文交换的唯一区别就在于他限制了一次可以发送数据块的大小，把数据报切割成许多小的数据块进行发送

 

数据报方式

 

虚电路方式

 

对比

2.5.5总结

2.6物理层传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它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。（友情提示：信道是逻辑通路）

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层下面，因为物理层属于结构体系的第一层，因此有时也称传输媒体为第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代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别说传送的比特流。

【物理层是傻瓜，传输介质比傻瓜还傻。】

2.6.1双绞线

2.6.2同轴电缆

2.6.3光纤

 

 

 

2.6.4非导向性传输介质

Wifi,卫星，红外遥控器。

2.7物理层设备

2.7.1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，衰减到一定程度时会使信号失真，因此会导致接收错误。

中继器的功能：

对信号进行再生还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号的传输距离，延长网络的长度。

中继器的两端：

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，且两个网段的速率要相同。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。

两端可相连相同媒体，也可以连不同媒体。

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，傻瓜设备）

5-4-3原则：

网络标准中都对信号的延迟范围做了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则就会网络故障。

2.7.2集线器(多口中继器)

集线器的功能：

对信号进行放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到出输入端口外的所有处于工作状态端口（广播），以增加信号的传输距离，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。

一个时钟周期发一组，没有定向功能，不是你的就丢掉。多台设备工作就会增加带宽消耗，影响传输速率。