物理层----(上)

Posted 2022-11-23 lzy_tinyjoy

序言
    这是对计算机网络基础教程（第四版）谢希仁 谢钧 书的讲解，因为书中很大一部分都是理论上的文字，初学者对这些文字会感到有一种很不理解，不知道讲什么东西，时间一长，就失去耐心了，所以在这里写下自己学习时的一些理解， 所写文字中包括我自己的一些话，可包括从别的地方中摘取的一些好的总结的文字和图片，请不要大惊小怪。我也是一直菜鸟。 谢谢  ---------  WH
一、物理层
　　前面介绍了ISO层次，包括7层 ，通过TCP/IP协议只将7蹭概括为4层，我们将学习其中的5层， 应用层(包括表示层，会话层)、传输层、网络层、数据链路层、物理层，这里就介绍物理层

                                  

二、物理层的基本概念
    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 （通俗的讲就是传输的数据是通过何种方式，以什么形态传输的，类似于我们说话，别人是如何听到的，通过的就是声波，计算机传数据，又是怎么样吧数据带过去的呢）
　主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性，即 机械特性、电气特性、功能特性、过程特性　　　　
　机械特性：接口形状、大小、引线数量等，通俗讲也就是网线的水晶头的设计等一些规定
　电气特性：规定电压范围（-5V~+5V）等  在网线中传输时所用的电压范围
　功能特性：例 规定-5V代表0 +5V代表1  用电压的大小来表示 0 和 1
　过程特性：也称规程特性 规定建立连接时各个相关部件的工作步骤
    对于这几个特性，个人觉得大概了解一下即可，也没必要死记。

三、数据通信的基础知识
        这部分讲解的就是一些最基本的知识，各种名词，耐着心子，其实就是理解一下，很简单
　　1、数据通信模型
              通过下面的一张图，和我画的辅助理解的注释， 可以轻松的了解到以下的一些信息，源点、发送器、接受器、终点  和  源系统 -- 传输系统 --- 目的系统 的对应关系。
              PC机要发的数据会转换为010101，数字比特流就代表着010101传给调制解调器，调制解调器将数字比特流转换为模拟信号，通过公用电话网传到很远的目的地去。然后逆过来解析成原数据就行了。
              提到的数字比特流、模拟信号之后会讲解到，这样，我们就大概了解了数据通信的模型了，大概知道数据是转换成哪种形势传到目标中。

2、相关的一些术语
　  通信的目的是传送信息
　  数据：运送信息的实体
　  信号：数据的电气或电磁的表现 通俗讲就是通过电气或者电磁的一些表现形式来代表我们的数据，这就是我们说的信号，电气、电磁，比如一些电磁波等
　  数字信号：代表消息的参数的取值是离散的，下面就是数字信号，通过一高一低，不连续的波。

                                               

      模拟信号：代表信息的参数的取值是连续的，下面就是模拟信号， 有高有低，但是是连续的波

                                            

     码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元。  太理论的语言，看了跟没看一样，其实码元很简单，看下图，在数字信号中，带着0或者1的波形就是一个码元

               

        码元长度：每一个码元都是通过一段时间间隔来表示， 这个时间间隔就是码元长度。
　　　　　注意：1码元可以携带nbit的信息量，并不是1码元就只能代表1bit的信息量，可以是nbit，也就是说上面1码元就代表0或1这样1bit的信息量.

     3、信道和传输方式
　　   信道一般表示向一个方向传送信息的媒体，所以平常说的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道
　　   单工通信：也就是单向通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
　　   半双工通信：也就是能双向通信，但是不能同时通信，一方在发送数据，另一方必须接受数据，等待对方发完，然后自己才能发，例如，电视里面军方的对讲机，都是只有等待一方说完话，另外一方才能说话。
　　   全双工通信：相对于半双工通信来讲，就是能同时通信且双向，例如，电话。
　 4、基带信号和带通信号
　　   基带信号：即基本频带信号，来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，例如，我们说话的声波就是基带信号
　　   带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围移到较高的频段以便在信道中传输
　　　　　　举个例子来助于我们理解这两个概念  所以在一开始的数据通信模型中，就知道哪个是基带信号，哪个是带通信号了。
     
    5、编码和调制
　　  编码：人们将数字数据转换为数字信号的过程称为编码
　　  调制：将数字数据转换为模拟信号的过程称为调制
　　  编码方式
　　　　单级性不归零码：只使用一个电压值，用高电压表示1，没电压表示0
　　　　双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等
　　　　单极性归零码：单极性归零码（RZ）即是以高电平和零电平分别表示二进制码1 和0，而且在发送码1 时高电平在整个码元期间T 只持续一段时间τ，其余时间返回零电平
　　　　双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息
　　 通过图来理解

     

              曼彻斯特编码：由高变低为1、由低变高为0 它可以表示没有数据传输的状态。
　　　  差分曼彻斯特编码：bit与bit之间有信号变化(不管是从高变低还是低变高)为0，没信号变化为1. 优点：和曼彻斯特编码一样，但是抗干扰性强于曼彻斯特编码

        调制方式
　　　调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化
　　　调频：载波的频率随基带数字信号而变化
　　　调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化

     

      6、信道极限容量：
　　　就是在信道中传输信号时，会有杂质干扰，所以有一个信道极限容量来衡量在信道中最多的容量为多少时，能抵御干扰，正确的到达目的

     

     7、奈氏准则
　　　在假定的条件下，为了避免码(码元)间串扰，码元的传输速率的上限值
　　　注意：Baud(波特) 和 Bit 的区别
　　　　　　Baud：码元传输的速率单位 码元传输速率 也称为调制速率，波形速率或符号速率
　　　　　　　　　　1Baud  = 1 码元/秒 = n Bit/s 就是这个关系。
　　　问题：在排除外界干扰的情况下，为什么码元传输速率还有上限值？
　　　　　分析：如果速率没有上限值，则接收器在速率太高的情况下，来不及分别信号的强弱，这样就不能清楚的分析出01010了。就好比，一个人说话很快很快，你的听力分析能力跟不上人家说的话，就导致无法听清别人说的话，如果说的比较慢，我们就有时间来分析人家说的是什么，就是这个意思。

　 8、信噪比 和 香农公式
　　　　信噪比： S/N  
　　　　　　　S：信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。
　　　　香农公式： C = W log2 (1+S/N) bit/s
　　　　　　　　　　 C：信道的极限信息传输速率； W：信道的宽带
　　　　香农公式表明：
　　　　　　　1、信道的带宽(W)或信道中的信噪比越大(S/N)，则信息的极限传输速率就越高。
　　　　　　　2、只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输
　　　　　　　3、若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
　　　　　　　4、实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。