计算机网络第二章：物理层

Posted 2021-06-27 九死九歌

§2.0 第二章学习大纲

  ① 通信基础

  ② ★两个公式(lim)

  ③ 看图说话

  ④ 传输介质

  ⑤ 物理层设备

§2.1.1 物理层基本概念

一、物理层基本概念

1.概念：物理层解决的是如何在链接各种计算机的 传输媒体^① 上传输比特流，而不是指具体的传输媒体。

  注：①传输媒体就是双绞线、同轴电缆之类的东西。它又称参考模型中的“第零层”。

2.主要任务：物理层的主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性，定义一些标准。

二、物理层规定的特性

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。

  例如某网络规定150 ~ 200v表示1，0 ~ 50v表示0。电线长度限定于15米以内，这些就是物理层规定的。

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使用。即高低电平表示什么含义

   ★题目中给了数值，多少电压为1，多少为0，多少米之类的，就是电气特性。如果说的是低电平表示什么，高电平表示什么，那就是功能特性。

4.规程特性：又名过程特性，顶一各条物理线路工作规程和时序的关系。

§2.1.2 数据通信基础知识

一、数据通信模型

调制解调器（也就是猫）可以把数字信号转化成模拟信号，电脑网卡发出来的是数字信号，所以要接上调制解调器转换成模拟信号入网。电话直接发出模拟信号，直接入网。

二、数据通信的相关术语

 1. 数据通信的目的是传送消息。

 2. 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。（“Hello world！”）

 3.信号：数据的电气 / 电磁表现，使数据在传输过程中的存在形式。

• 信号分类：
  • 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

 4.信源：产生和发送数据的源头

 5.信宿：接收数据的终点

 6.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亿条发送信道和一条接收信道

• 信道按传输信号分类：

  • 模拟信道：传输模拟信号
  • 数字信道：传输数字信号
    
    

• 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：谁谁谁是发送端、谁谁谁是接收端就已经定义好了，不能改变了。需要一条信道，只能我说你听，或者只能你说我听。相当于广播。

  2.半双工：两个人都可以是接收方发送方，但是同一时间只能有一个发送一个接收。需要两条信道，要么我说你听，你么你说我听，都行。相当于对讲机。

  2.双工：需要两条信道，咱俩同时一遍听对方说话，一边说话。相当于打电话。

四、两种数据传输方式

  1.串行传输：一条比特流一位接着一位传输。特点是速度慢、费用低、适合远距离。

  2.并行传输：速度快、费用高、适合近距离。（计算机内部的数据传输）

§2.1.3 码元、波特、速率、带宽

一、码元

  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 > 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，一种表示0状态，另一种表示1状态。

  若为M进制码元，则一码元对应log₂ M比特位。

二、速率、波特、带宽

  1. 速率：速率也叫数据率，是指数据的传输速度 ^① ，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。

  ⑴ 码元传输速率（一秒能传多少码元）：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。（1Baud <=> 1 码元 / s）

  ⑵ 信息传输速率（一秒能传多少比特）：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） 。

  ⑶ 码元传输速率与信息传输速率的关系：对于一个M进制码元（M >= 2 ），一个码元可以携带log ₂ M bit的信息量。则 N Baud的码元传输速率对应的信息传输速率为 N × log ₂ M bit / s。

注：
  ① 传输速率与传播速率是不相同的两个概念，传输速率是从数据从主机到信道上的速度，而传播速率是数据在整个链路上的速度，后者取决于电磁波、电波这类东西的速度。

  2. 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。

  （我们在第一章提到过，带宽只是理想状态下的最高速率，不一定真能达到。详情请见：计算机网络第一章：计算机网络的基本概念）

  3. 联系：带宽是理想、传输速率是现实、码元传输速率是以码元为参考系进行衡量。

  例：若某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s内传输了8000个码元，另一数字通信系统传输的是十六进制码元，6s内传输了7200个码元。请问两者的码元传输速率分别是多少，哪个系统的信息传输速率更快。

  题解：
（之所以用csdn写笔记就是因为本人字太烂了，emmm……反正我估计也没多少人看我这个，要真有人看的话，凑合凑合看吧。我写的字虽然天书难辨，但仔细揣摩还是能看懂个八九不离十的【狗头】）

§2.1.4 奈氏准则和香农定理

一、失真

1.失真的两种类型：

• 有失真但可识别
  
  
• 失真太大无法识别
  

2.影响失真程度的主要因素

• ① 码元传输速率：越快越严重
• ② 信号传输距离：越远越严重
• ③ 噪声干扰：吵得码元日渐消瘦
• ④ 传输媒体质量：不能给码元用并夕夕买的衣服

二、码间串扰

1.信号带宽：

  指信道中能通过的最高频率与最低频率之差。例如某个电话线中的信号低于200 Hz就传不过去了，高于2200 Hz也就传不过去了。显而易见的，其带宽是2000 Hz

  频率低传不了是因为太低了失真率更高。太高了传不过去的原因则是因为我们接下来要提的码间串扰。

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。

  一群人以每秒二十米的速度从你面前走过，让你把男男女女用零幺串记录下来，好家伙人家都跑出重影来了，你开了写轮眼也球都看不见，见不是日弄人哩。还有假如rapper要和你说话，一秒钟一篇高中作文，那你肯定只能尬笑着“嗯、啊、好”。接收端也是。

三、奈氏准则（奈奎斯特定理）

1.奈氏准则：

  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为2W × log ₂ V （V表示有几种码元，也就是码元的离散电平数目，log ₂ V则是一个码元可以表示几位）

2.几点结论：

• 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。
• 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：

解答：

  易知，W = 3kHz， V = 4 * 4 = 16

  最大数据传输速率 = 2W × log ₂ V = 24 kb / s

四、香农定理

1.信噪比：

  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（dB） = 10 log ₁₀ (S / N)

2.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有上限值。

  信道的极限数据传输速率=W log ₂ (1 + S/N)(b/s)

  W是带宽、S / N 是信噪比。

3.一些结论：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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：

解答

五、奈氏准则与香农定理异同

	奈氏准则	香农定理
作用	内忧：带宽受限无噪声干扰的情况下，为了避免码间串扰，码元传输速率上限为2W Baud	带宽受限有噪声条件下的信息传输速率
对速率的约束	约束码元传输速率	约束信息传输速率
极限数据传输率	2W × log 2 V	W log 2 (1 + S/N)
提高速率的方式	提高带宽 / 采用更好的编码技术 让一个码元对应多位	提高带宽 / 信噪比

注：做题让求极限数据率时，只给信噪比用香农，只给码元电平数目用奈氏。两者都给，两者都酸，取最小的。

例题：

解答：

  应用奈氏准则： v = 2 × 4000 × log ₂ 2 = 8kb / s

  应用香农定理：v = 4000 × log ₂ (1 + 127) = 28kb / s

  综上，最大数据速率应为8kb / s

§2.1.5 编码与调制（一）

一、基带信号与宽带信号

1.信道的概念:

  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。

2.信道的分类：

• ① 按传输信号分：
  • 模拟信道：传送模拟信号
  • 数字信道：传送数字信号
• ② 按传输介质分：
  • 无线通信
  • 有线通信

3.信道上传送的信号的分类：

• 基带信号：经编码在数字信道上传输
• 宽带信号：经调制在模拟信道上传输

4.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）。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，比如我们说话的声波就是基带信号。

  基带信号可以有多种编码方式，例如用高电压表示1，用低电压表示0；或者用电压一低一高表示1，用电压一高一低表示0

5.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（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

  调制是将数字信号转化成易于迅速传播的模拟信号，借条就是反过来吧模拟信号变成数字信号。

6.总结：

  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)

  （其实就相当于高压输电，能上大学的应该都懂高压输电）

二、编码与调制

  对于数字数据而言，通过数字发送器把数据转化成数字信号叫做编码；通过调制器把数据转化成模拟信号叫调制。

  对于模拟数据而言，通过PCM编码器把数据转化成数字信号叫做编码；通过放大器调制器把数据转化成模拟信号叫调制。

§2.1.5 编码与调制（二）

一、数字数据编码为数字信号 — 数字数据的编码

1.非归零编码（NRZ）：

  用高低电压表示0和1。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。即发送端发送一长串的0或一长串的1的话，无法判断起始位置，无法判断是一长坨1还是好多个1。需要发送端接收端规定每个码元多长时间。

2.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。

  如图所示，这种编码方式信道中处于低电平的时间过久，同样需要发送端接收端规定每个码元多长时间，所以不推荐使用。

3.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。

  如果发送端发送的数据全为1，那就会出现连续长时间的相同电平。要规定时间，同样不推荐使用。

4.★ 曼彻斯特编码

  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；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 。

  这种情况下使用二进制码元，则在一个时间周期内传送两个码元，表示一个比特位。

5.差分曼彻斯特编码：

  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o，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。

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，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。

二、数字数据调制为模拟数据 — 数字数据的调制

  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。

若同时使用调幅和调相就叫做QAM调制技术。

例题：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少?

解答：

  首先4 × 4 = 16，则码元有十六种状态，log ₂ 16 = 4；所以是4进制码元。1200 Baud × 4 = 4800b / s

三、模拟数据转化为数字信号 — 模拟数据的编码

  （这些玩意通原上都会讲到，我就不细写了，我们专业学通原，【狗头】）

  计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数学字表示的离散序列（即实现音频数字化）。最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽术量化、编码。

1.抽样：

  对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样： 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，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。

3.编码：

  把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

四、模拟数据转化成模拟信号 — 模拟数据的调制

  为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式;模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

  （就和高压输电差不多，懂得都懂）

五、本节思维导图

§2.2 物理层传输介质

一、传输介质及分类

1.传输介质的概念：

  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，因此能够识别所传送的比特流。

2.传输介质的分类：

• 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤）传播。

• 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

  两者区别就类似于地铁和共享单车，从韦曲南到北客站，地铁是导向性的，只能走那一个方向。但骑共享单车不一样，它是非导向性的，你可以在雁南一路的时候右拐去西邮老校区玩玩再扭回来继续去北客站。甚至你可以往南走一直骑到泰国，再到太平洋海底骑共享单车，一直骑到北冰洋，再骑到俄罗斯，再往南到西安，这样一路向南也可以。反正他是非导向性的。

二、导向性传输介质 — 双绞线与同轴电缆

1.双绞线：

  双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根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。

  根据右手准则、绞合的电线会产生磁场、两条绞线产生方向不一样的磁场相互抵消，就可以减少电磁干扰了啦(〃‘▽’〃)

  为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP) 。

  非屏蔽双绞线：

  屏蔽双绞线：

  双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号;对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

2.同轴电缆：

  同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类: 50Q同轴电缆和75Q同轴电缆。其中，50Q同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用;75Q同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

  这四个结构共用一条轴线，所以才叫同轴电缆。

3.双绞线与同轴电缆的区别：

  由于外导体屏蔽层的作用，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，但价格较双绞线贵。

三、导向性传输介质 — 光纤

1.概念：

  光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10 ⁸ MHz，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。

  光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

  光纤主要由纤芯(实心的! )和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

2.单模光纤与多模光纤：

	定义	光源	特性	外观
单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的光纤	定向性很好的激光二极管	衰耗小、适合远距离传输
多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	发光二极管	易失真、适合近距离传输

  由于光纤太细容易断，所以为了提高传输效率和防止光线断了，就把好几根光纤捆起来做成光缆。如图，一根光纤至少一根光缆，当然多了也有可能。

3.光纤的特点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
• 抗雷电和电磁干扰性能好。
• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
• 体积小，重量轻。

四、非导向性传输介质

1.无线电波：

  信号可以向所有方向传播，具有较强的穿透能力，可传远距离，广泛应用于通信领域（如手机通信）。

2。微波：

  微波信号沿固定方向传播。并且频率高、频段范围宽，因此数据率很高。

  广泛应用于地面微波接力通信和卫星通信。

3.红外线和激光：

  把要传输的信号分别转换成各自的信号格式（微波就不用），即红外线信号和激光信号，再在空间中进行传播。

五、本节思维导图

§2.3 物理层设备

一、中继器

1.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，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

2.功能：

  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。（再生数字信号）

3.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。（毕竟人家是物理层设备对吧）

  中继器两端可以连相同媒体，也可以连不同媒体（左双绞线右双绞线可以，左双绞线右光纤还可以）

  中继器的两端一定要是同一个协议。（因为中继器不会存储转发，存储转发的概念详见网络层数据链路层）

4.5-4-3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。

  如图，5-4-3规则就是说只能有五个网段、四个设备（就中继器集线器这类物理层设备），并且只能连接三个主机。

二、集线器（多口中继器）

1.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。（说白了也就是星星拓扑结构，如图）

  另外不是说了不具备定向传送能力，那也就是说假说集线器上连了五台主机、有一串数据是要给其中一台的，但它也会同时发给其他的四个主机，其他的四个主机接收到信息一看，诶？这收件人写的咋不是我啊，好求势。然后就把这一串数据忽略了。

  集线器同一时间内只能传送一组信息，所以每个主机使用集线器的过程就像是多个进程并行一个，排成队列，这个完了是那个。

  也就是说集线器不能分割冲突域，所以连接在集线器上的工作着的主机要平分带宽。

  

  

  

  

§2.4 第二章思维导图

（PS：该笔记所对应的学习资料b站链接：2019 王道考研 计算机网络）