计算机网络（物理层）

Posted 2021-09-14 Charming2017

物理层

大纲

1. 基本概念

2. 数据通信基础知识

3. 码元、速率、波特、带宽

4. 两个定理

5. 编码&编制

6. 物理层传输介质

7. 物理层设备

 

1. 物理层基本概念
   1. 定义，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载体
   2. 主要任务，确定与传输媒体接口有关的几个特性
      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，引脚数量等
      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. 规程特性，定义各条物理线路的工作规程和时序关系
2. 数据通信基础知识
   1. 数据通信相关术语
      1. 通信的目的是传送消息
      2. 数据，既可以是模拟的也可以是数字的，传送信息的实体，通常是有意义的符号序列，比如0101
      3. 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，比如水跟冰（数字数据对应数字信号，模拟数据对应模拟信号）
         1. 数字信号，离散
         2. 模拟信号，连续
      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。一条通信通信线路往往包含发送信道和接收信道
         1. 按传输信号分类，有模拟信道、数字信道
         2. 按传输介质分类，有无线信道、有线信道
   2. 三种通信方式（从通信双方信息的交互方式看）
      1. 单工通信，只有一条信道
      2. 半双工通信，有两个方向，需要两条信道
      3. 全双工通信，也需要两条信道
   3. 两种数据传输方式
      1. 串行传输，速度慢，费用低，适合远距离
      2. 并行传输，速度快，费用高（消耗信道资源多），适合近距离(用于计算机内部数据传输，可以看到显卡接口有很多小孔，并行传输)
3. 码元、速率、波特、带宽
   1. 码元，是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同的离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个固定时长内的信号称为k进制码元，而该固定时长称为码元宽度。
      1. 1个码元可以携带多个（二进制码元，1个比特；四进制码元，2个比特）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
      2. 4进制码元-》码元的离散状态有4个-》4种高低不同的信号波形-》00、01、10、11-》1个码元携带2个比特的信息量
   2. 速率、波特、带宽（都是指主机发送到链路上）
      1. 速率，也叫数据率，是指数据的传输速率（从主机发送到链路上的发送速率，跟传播速率有着天壤之别），表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输率和信息传输率表示
         1. 码元传输率，别名码元速率，波形速率等，表示1s时间内传输多少个码元，单位是波特（波特也是个速率，码元个数/s）。码元速率与进制数无关，例如1秒时间内发送了5个二进制码元，跟1秒时间内发送了5个4进制码元，码元速率是一样的
         2. 信息传输速率，别名比特率等，表示1秒时间内传输多少个比特
         3. 两者关系，一个码元携带n bit信息量，那么信息传输速率=M波特（码元传输速率）* n bit/s
      2. 带宽，表示1秒时间内，从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率（理想状态下），单位 b/s
4. 奈奎斯特定理，香农定理
   1. 失真，影响信号波形失真程度的因素，码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量
   2. 信号带宽，是信道能通过的最高频率和最低频率之差，单位是赫兹。赫兹，指一秒可以震动的次数。
   3. 失真的一种现象——码间串扰（奈奎斯特定理就是解决这个问题），是指在接收端收到的信号波形已经失去了码元之间清晰界限的现象。比如当码元传输速率太大的时候，接收端分不清0和1的信号波形界限，码元与码元之间的界限太特么近了，眼花，hahahah
   4. 奈奎斯特定理，为了避免码间串扰，在无噪声，带宽受限条件下，极限码元传输速率=2W Baud，W是信道带宽，单位是hz（只有在这两条公式，带宽的单位才是Hz）
      1. 极限数据率=2W log2N (b/s) ，N代表几种码元， log2N代表一个码元携带多少比特，2W是波特率
      2. 奈氏定理一，在任何信道，码元传输速率都是有上限，超过此上限会出现码间串扰的问题
      3. 奈氏定理二，信道的频带越宽，即W越大，码元传输速率越大，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
      4. 奈氏定理三，奈氏准则给出的是码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
      5. 奈氏定理四，要提高信息传输速率，就必须设法使每个码元携带更多的比特，这就需要采用多元制的调制方法
   5. 香农定理，对信息传输速率上限有限制，(其实也就是对一个码元携带多个个比特有限制，毕竟2种波形和4种波形，肯定是2种波形好识别20200926)。噪声存在所有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。值得注意的是，噪声的影响是相对的，当信号很强的时候，那么噪声的影响就较小。因此信噪比很重要（决定了接收端能否正常判决码元）
      1. 信噪比=信号平均功率/噪声的平均功率，常常记为S/N，并用分贝db作为度量单位，即信噪比（db）= 10ln（S/N） （只是换一种观念表示，相当于科学计数法，数值等价）
      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，信息的数据传输率有上限值。信道的极限数据传输速率=W log2(1+S/N) (b/s)，（S/N-》信噪比，W-》带宽Hz）
         1. 推论一，信道的带宽或者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也就确定了
         3. 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能够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，实际信道要比它小很多
         5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W和信噪比S/N没有上限（虽然说不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限
   6. nice准则和香浓如何出题，如果题目中提到有噪声，肯定只能用香农定理；如果题目中给出了码元传输速率（如M进制信号），就用nice准则；如果同时给出码元传输速率，信噪比，那么两个定理我们都要算一遍，取其最小值，作为我们现实生活的最大值。。。
5. 编码&调制
   1. 信道，信号的传输媒介。一条通信通信线路往往包含发送信道和接收信道
      1. 按传输信号分类，有模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
      2. 按传输介质分类，有无线信道、有线信道
   2. 信道上传送的信号
      1. 基带信号，来自信源的信号都是基带信号，比如计算机的图像（数字信号），我们说话的声波（模拟信号）就是基带信号。将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输，这种传输过程也叫基带传输
      2. 宽带信号，将基带信号进行调制后形成模拟信号，在传送到模拟信道上去传输，这一传输过程也叫宽带传输
      3. 两种信号区别
         1. 在传输距离较近时，计算机网络采用的是基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
         2. 在传输距离较远时，计算机网络采用的是宽带传输方式（远距离衰减大，通过载波调制使得信号变大，最后能够过滤出来基带信号）
   3. 编码与调制（数字数据和模拟数据的区别是啥？还不知道。数字数据是指0101？模拟数字是指音频？）
      1. 数字数据，通过数字发送器转换成数字信号（编码）重要
         1. 非归零编码
            1. 用低电平表示0，高电平表示1；或者反过来
            2. 缺点是无法判断一个码元的开始和结束，试想我全部发0，就是一根直线，接收方怎么知道我发了几个0（可以另外加一个什么鬼让接收方知道它的周期，从而计算出它有几个0），所以说收发难以保持同步
         2. 曼彻斯特编码(重要)
            1. 二进制中，我们是一个数字脉冲代表一个比特，但是它不是，它是两个脉冲代表一个比特，所以数据/信息传输率只有调制速率/脉冲速率/码元速率的1/2
            2. 每个码元中间都会有一次电平的跳转（可以实现自同步）
         3. 差分曼彻斯特编码
            1. 同1异0，且抗干扰性强于曼彻斯特编码，因为它的编码更复杂
            2. 1是高电平，0是低电平，对于1个码元有2个信号周期这类，1是先高电平后低电平
            3. 同1异0的意思，当码元是1，那么跟上一个码元的后半个码元相同，当码元是0，那么跟上一个码元的后半个码元的电平相反
            4. 每个码元中间都会有一次电平的跳转，可以实现自同步
         4. 归零编码
         5. 反向不归零编码
         6. 4B/5B编码
            1. 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或者1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，然后再传给接收方，因此称为4B/5B，编码效率为80%
            2. 只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16位作为控制码（比如帧的开始、结束、线路的状态）
      2. 数字数据，通过调制器转换成模拟信号（调制）重要
         1. 数字数据调制技术，在发送端的将数字信号转换成模拟信号，在接收端将模拟信号还原数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程
         2. 数字数据含有太多低频，所以信道不会让它过去
            1. 把矮个子变成大个子（调幅、调频、调相）
               1. 调幅，有调幅1，无调幅0（二进制举例）
               2. 调频，疏表示0，密表示1（二进制举例）
               3. 调相，余弦波0，正弦波1（二进制举例）
               4. 调幅+调相(QAM)
            2. 换套西装
      3. 模拟数据，通过PCM编码器转换成数字信号（编码）
         1. 经典栗子，对音频数字化，脉冲编码调制
         2. 3个步骤，采样、量化、编码
            1. 采样，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，我们为了所得到的离散信号能够无失真地代表被抽样的模拟数据（就是怎么知道我们抽样的是a波形还是b波形），要使用采样定理进行采样：f(采样频率)>=2f(信号最高频率/带宽最高频率)
            2. 量化，把抽样取得的电平幅值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
      4. 模拟数据，通过放大器调制器转换成模拟信号（调制）
         1. 比如话筒声波，需要较高的频率，不然频率太低传不到接收端
         2. 频分复用信号
         3. 充分利用带宽
6. 物理层传输介质
   1. 导向性传输介质
      1. 双绞线
         1. 屏蔽双绞线
         2. 非屏蔽双绞线
      2. 同轴电缆
      3. 光纤
         1. 多模光纤
         2. 单模光纤
   2. 非导向性传输介质
      1. 无线电波（任意方向，手机，局域网）
      2. 微波（固定方向）
         1. 地面微波接力通信
         2. 卫星通信（误码率高，成本高）
         3. 固定格式
      3. 红外线、激光（固定方向，要转成各自的格式传输）
7. 物理层设备
   1. 中继器
      1. 诞生原因，信号传输过程中会衰减
      2. 功能，再生数字信号
      3. 中继器的两端是网段，而不是子网；两端的网络要完全相同，两个网段的速率也要相同，两端的网段一定要是同个协议（中继器不会跟链路层和网络层一样存储转发，因为它是个大傻瓜）
      4. 简单理解成网线不过分吧，不过它会再生数字信号
   2. 集线器（多口中继器）
      1. 再生、放大信号
      2. 星型拓扑
      3. 广播，不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
      4. 因为是广播，所以有冲突有碰撞，它是个大的冲突域
      5. 连在集线器上的工作主机平分带宽(每个主机同时工作的话)