计算机网络知识点总结——第二章物理层

一、概述

⭐重点概念⭐

1. ⭐两个公式⭐
   奈氏准则（理想低通信道中）、香农定理（带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道极限传输速率）
2. ⭐编码与调制⭐
   非归零编码，曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码
3. ⭐数据交换方式⭐
   电路交换，报文交换，分组交换
4. ⭐物理层结构的特性⭐
   物理层考虑的是怎样才能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
   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
   2. 电气特性
      规定比特流传输时的电压等范围
   3. 功能特性
      指名接口线路中某一种电平表示的意义，接口部件信号线的用途。
   4. 规程特性
      定义物理线路的工作规程和时序关系

二、数据通信

（一）数据模型

⭐数据通信过程⭐
数据->转换成数字信号->通过调制解调器调制->进行传输->目的端的调制解调器编码转换成数字信号->转换成数据

（二）数据通信相关术语

数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程
数据：传送到实体信息
信号：数据的电气/电磁表现，分为数字信号（离散信号）和模拟信号（连续信号）
信源：产生数据和发送数据的源头
信宿：接受数据的终点
信道：信号的传输媒介
按传输信号分：模拟信道，数字信道
按传输介质分：无线信道，有线信道

（三）⭐三种通信方式⭐

1. 单工
   单方面的信息传输交互，仅需要一跳信道
2. 半双工
   通信的双发相互通信，但是不能同时发送和接收，需要两条信道
3. 全双工
   通信的双发相互通信，可以同时接收和发送信息，需要两条信道

（四）数据传输方式

1. 串行传输
   将比特数据按位依次传输
   特点：⭐速度慢，费用低，适合远距离⭐
   
2. 并行传输
   将一定数量位数的比特数据通过同数量的信道进行传输
   特点：⭐速度快，费用高，适合近距离⭐
   

（五）同步传输&异步传输

同步传输：数据以一个数据区块位单位进行传输，传输时需要在数据头部添加同步字符，再送出数据，⭐所传输的比特数据时连续的⭐。

异步传输：数据区分成比特小组传输，⭐传输时数据可以不连续，分批次到达⭐，传输数据前需要在数据头部加一个起始位，在结尾加上一个终止位

（六）小节脑图

（七）码元

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），是数字通信中数字信号的计量单位。当一定时长内的码元有不同的离散状态，代表不同进制的码元，⭐离散状态有M个则此时码元位M进制码元⭐。
⭐⭐1码元可以携带多个比特的信息量⭐⭐
例
4进制码元需要4个高低不同的信号波形00 01 10 11
那么一个码元携带了就是2bit的数据。
二进制码元则一码元携带1bit的数据。

（八）数字通信系统数据传输速率

⭐码元传输速率⭐（码元速率、波形速率、调制速率、符号速率）

表示单位时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的次数），单位是波特（Baud）即1s传输多少个码元。
⭐⭐码元速率与进制数无关，只与码元长度有关。⭐⭐

⭐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（即比特数）单位是比特/秒（b/s)
信息传输速率（bit/s)=码元携带信息量（bit)*码元传输速率（Baud）

⭐带宽⭐

1.在模拟信号系统中，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的带宽，单位赫兹（Hz）
2.数字设备中，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“最高的数据传输速率”/单位时间内通过链路的数量，单位比特每秒（bps）。
⭐拥有更宽的带宽，也就是有更大的信息运送能力。⭐
⭐信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。⭐

三、奈氏准则&香农定理

⭐⭐⭐在考研中只有这两个公式的带宽使用单位为Hz⭐⭐⭐

（一）失真

失真是指发送端发送的信号波形在通过信道时受到传输媒体、外界噪声干扰等情况，造成接收到的信号波形改变甚至是难以识别的现象。

⭐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. 传输媒体质量

失真的一种情况——⭐码间串扰⭐
发送端发出的信号波动过快，接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限的现象。

（二）⭐奈氏准则⭐

⭐在理想（无噪声）低通（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=2Wlog₂V（b/s）⭐
W指带宽
V指码元的种数
例，4个相位，每个相位4种相幅，那么码元就有16种，带入即可。
1.在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若超过传输速率上限，则会造成码间串扰问题。
2.信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以使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，但并未对信息传输速率从给出限制
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，应让码元携带更多的比特信息，采用多元制的调制方法。

（三）⭐香农定理⭐

⭐再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。
⭐信噪比（dB）=10log₁₀(S/N)⭐

⭐⭐信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N)（b/s）⭐⭐
W指带宽，单位Hz
S/N指信噪比

结论
1.信道的带宽或信道种的信噪比越大，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.香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

（四）⭐两者区别⭐

1.奈氏准则在没有噪声的条件下
2.香农定理在有噪声的条件下

⭐注：当题目中两者所需要的参数都出现时，都计算一遍，取最小的极限传输速率⭐

四、编码&调制

⭐基带信号⭐
将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）
适用传输距离较近时，例如电脑中线路的数据传输
⭐宽带信号⭐
将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带信号）
适用于传输距离较远，例如信号塔发送用户信号

编码与调制
编码
数据------>数据信号
调制
数据------->模拟信号

（一）⭐数字数据编码为数字信号⭐

1. ⭐非归零编码（NRZ）⭐
   高1低0
2. ⭐曼特斯特编码⭐
   将码元分为两部分，前高后低为1，前低后高为0，⭐也可规定相反⭐。
   每个码元都被调制成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的⭐二分之一⭐。
   
3. ⭐差分曼特斯特编码⭐
   将码元分为两部分，同1异0，两个相邻码元之间的电平信号跳变，相同为1，不通为0
   ⭐扛干扰性强于曼特斯特编码。⭐
   
4. 归零编码（RZ）——信道使用率低，不推荐使用
   码元分为两部分，前半段为信号电平，后半段都为低电平（归零）
5. 反向不归零编码（NRZI）
   每个相邻码元之间，信号电平翻转则表示0，信号电平不变表示1
   
6. 4B/5B编码
   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。编码接收效率为80%。

（二）数字数据调制为模拟信号

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⭐别对应调制解调器的调制和解调过程。⭐
调幅+调相（QAM）
该技术的数据传输速率为R
波特率为B，采用m个相位，每个相位有n个振幅
⭐公式：R=Blog₂(nm)⭐

（三）模拟数据编码为数字信号

将模拟音频通过采样、量化转成有限个数字表示的离线序列（即实现音频数字化）。
⭐脉码调制（PCM）⭐
在计算机中能够达到最高保真水平，主要步骤为三步：⭐抽样、量化、编码⭐。
1、抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号编程时间上离散的信号。⭐⭐采样定理：f_采样频率>=2f_{信号最高频率}⭐⭐
2、量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数
3、编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

（四）模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。可以使用频分复用技术（FDM）

（五）小节脑图

五、数据交换方式

（一）电路交换

在进行数据传输前，⭐两个节点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，该链路可能经过许多的中间节点⭐。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，知道通信结束后才被释放，所以电路交换技术分为三个阶段：链接建立、数据传输和链接释放
特点
⭐独占资源，用户使用占用端到端的固定传输带宽⭐。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。
电路交换的优缺点

（二）⭐报文交换⭐

报文：数据交换的单位是报文，报文携带由目标地址、源地址等信息。
报文交换在交换结点采用的是⭐存储转发⭐的方式。
数据从源主机到目的主机途径中间结点时，先进行存储检查，数据无误后中间设备进行路由选择匹配到最优下一跳结点进行转发，直至到目的主机。
报文交换的优缺点

（三）⭐分组交换⭐

如今互联网中最普遍使用方式
分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组。
与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发的方式。⭐分组交换中发送端将报文划分成一定长度的分组，以分组为单位进行传输，接收端将分组进行组装成报文。⭐

分组交换的优缺点

$$分组转发时延=\frac{数据总量（数据+分组报文头）}{发送时延}\ast 站点数+最后一个分组的发送时延和传输时延$$

（四）数据交换方式的选择

1.传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换，电路交换传输时延最小
2.当端到端的通路有很多段的链路组成是采用分组交换
3.报文交换和分组交换信道利用率优于电路交换，分组交换比报文交换的时延小， 尤其适用于计算机之间的突发式数据通信。

（五）数据报&虚电路

一）数据报方式

交换流程和分组交换方式近乎相同
数据报方式为网络提供⭐无连接⭐服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
**无连接服务：**不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不通分组传输路径可能不通。

二）虚电路方式

虚电路数据报方式和电路方式结合，以发挥两者优点
虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（⭐逻辑链接⭐），路径上所有节点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路信息。
三个阶段：建立连接，数据传输（这里的分组携带包含⭐虚电路号⭐），释放连接
虚电路方式为网络层提供连接服务。⭐源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接⭐。
**连接服务：**首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组出阿叔路径相同，传输结束后拆除链接。

六、物理层传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，他就是数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理通路。
注：⭐传输媒体并不是物理层⭐。传输媒体在物理层下面，传输媒体传输信号但并不能识别传输信号，物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

（一）导向性传输介质

一）双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两个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）
  双绞线外由金属丝编织成的屏蔽层
• 非屏蔽双绞线（UTP）
  双绞线外没有屏蔽层

• 特点
  价格便宜，模拟传输和数字传输都可使用，距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减信号，对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

二）同轴电缆

同轴电缆由导体铜制芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外层构成。

• 基带同轴电缆(50欧姆)
  在局域网中得到广泛应用。
• 宽带同轴电缆(75欧姆)
  主要用于有线电视
• 同轴电缆VS双绞线
  同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格比双绞线贵。

三）光纤

利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，可见光的频率大约时10⁸MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

• 多模光纤
  有多种传输光信号模式的光纤（光线折射）
  
• 单模光纤
  有多种传输光信号模式的光纤（一条直线）
  

特点
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性能好
3.保密性好，也不易被窃听或裁取数据
4.体积小，重量轻

（二）非导向性传输介质

一）无线电波

⭐信号向所有方向传播⭐
较强的穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（手机通信）

二）微波

信号固定方向传播
微博通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。
地面微博接力通信——地面中继站转发
卫星通信——人造卫星转发
优点：通信容量大、距离远、覆盖广、广播通信和多址通信
缺点：传播时延长、⭐收气候影响大（太阳黑子）⭐、误码率高、成本高

三）红外线、激光

信号固定方向传播
⭐要把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。

（三）脑图

七、物理层设备

（一）中继器

信号在传输过程中，信号的功率会逐渐衰减，衰减过多会导致失真，导致接受错误。
中继器的功能： ⭐对数字信号进行再生和还原⭐，对衰减的信号进行放大，保持与元数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
⭐中继器两端的网络部分是网段，使用不通媒体和网络的互连，中继器两端的网段一定要是同一个协议。⭐

**5-4-3规则：**只能存在5个网段，存在4个中继器，只有3个网段可以接计算机

（二）集线器（多口中继器）

功能： ⭐对信号进行再生放大转发⭐，对衰减的信号进行放大，接着转发到所有处于工作状态的端口上，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⭐。——————交换机
⭐连接在集线器上的设备平分带宽⭐