超详细的计算机网络基础知识总结第二章：物理层

Posted 2021-12-24 温文艾尔

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了超详细的计算机网络基础知识总结第二章：物理层相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本文基于：王道计算机考研-计算机网络

其他文章：
超详细的计算机网络基础知识第一章：概述

最近准备就业，整理计算机网络的相关笔记，后续会继续更新

少侠请留步，相见即是有缘，如果对少侠有帮助，给博主一个免费的点赞以示鼓励把QAQ

1.物理层基本概念

1.1物理层的概念

物理层的概念:

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，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务:

确定与传输媒体接口有关的一些特性

物理层的特性:

一、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

二、电气特性

规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、抗阻匹配、传输效率和距离限制等

三、功能特性

指明某条线上出现的某一电平表示某种意义，接口部件的信号线的用途

四、规程特性

（过程特性）定义各条物理线路得到工作流程和时序关系

2.数据通信基本知识

2.1典型的数据通信模型

2.2数据通信的相关术语

通信的目的是传送消息

1.数据

传送消息的实体，通常是有意义的符号序列

2.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：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

信源

产生和发送数据的源头

信宿

接收数据的终点

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一条接收信道
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）
按传输介质分
- 有线信道
- 无线信道

2.3三种典型的通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

名称	定义	信道数量
单工通信	只有一个方向的通信而没有反方向的交互	1
半双工通信	通信的双方都可以发送或接收消息，但任何一方都不能同时发送和接收	2
全双工通信	通信双方可以同时发送和接收消息	2

下面我们结合一个例子，我们认识一下这三种方式

假如两个人要打架，左边是二狗，右边是二毛，单工通信就是二狗打二毛，二毛不还手，硬挨着,如下图

半双工通信就是，二毛也可以还手，但是二狗打他的时候他不能还手，只有二狗停手了他才能动手，可以理解为回合制

全双工通信就是，俩人可以同时出手，开始散打模式，乌龟拳大战螳螂拳

2.4两种数据传输方式

名称	定义	优点
串行传输	发送方一次只能发送一个比特，排好队从发送方传输到接收方	速度慢，费用低，适合远距离
并行传输	发送方可以同时发送好几个比特到接收方，接收方也可以同时接收很多个比特	速度快，费用高，适合近距离

2.5码元

码元的介绍

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大于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。比如，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

实际点讲，码元就代表一种波形，是一种信号段，二进制的码元有2个高低不同的信号波形，4进制的码元有4种高低不同的信号波形

2.6 速率、波特、带宽

2.6.1 速率

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，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

1）码元传输速率

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，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关

2）信息传输速率

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）

码元是四进制则n =log2 ^ 4=2，码元是十六进制则n=log2 ^ 16=4

3）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。

2.6.2 练习题

系统的码元传输速率=2000Baud

信息传输速率=2000*log2^4=4000b/s

十六进制码元传输速率=1200Band

信息传输速率=1200*log2^16=4800b/s

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输效率

2.7 奈氏准则（nice准则）

2.7.1 失真

失真：信号在传递过程中发生了扭曲变化

影响失真程度的因素：

码元传输效率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量

2.7.1.1 失真的一种现象-码间串扰

因为码元传播速率过快，到接收端的时候距离过近，码元之间的界限不清楚导致了码间串扰

为了解决码间串扰，一个很nice的奈氏准则诞生

2.8 香农定理

奈氏准则在没有噪声同时带宽受限的环境下，而香农定理是在有噪声且带宽受限的信道中

2.8 基带信号与带宽信号

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一条接收信道

按照传输信号分

模拟信号（传送模拟信号）
数字信道（传送数字信号）

按照传输介质分

无线信道
有线信道

基带信号=数字信号

3 编码

对于数字数据

编码将数字数据通过数字发送器转成数字信号
调制将数字数据通过调制器转成模拟信号

对于模拟数据

编码将模拟数据通过PCM编码器转成数字信号
调制将模拟数据通过放大器调制器转成模拟信号

3.1 数字数据编码为数字信号

名称	特点
非归零编码	高电平为1，低电平为0
归零编码	信号电平在一个码元之内都要恢复到0
反向不归零编码	信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
曼彻斯特编码	前一个间隔为高电平，后一个间隔为低电平则表示1，反之表示0，也可以采取相反的规定
差分曼彻斯特编码	若前一个码元的后半部分与后一个码元的前半部分发生跳变则为0，不发生跳变则为1