一文详细理解计算机网络 - 物理层（考试和面试必备）

Posted 2023-01-09 cui_yonghua

一. 通信基础

1.1 数据、信号与码元

常用术语：

• 数据 (data) —— 运送消息的实体。
• 信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
• 模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

信道上传送的信号分为基带信号和带宽信号。

• 基带信号：即基本频带信号，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。基带信号是将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上去传输，称为基带传输；
• 带宽信号时将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后再传送到模拟信道上去传输，称为带宽传输；

注意：
1、无论数据或信号，都既可以是模拟的，也可以是数字的。 模拟的就是连续变化的，而数字的取值允许是离散值。
2、一码元可以携带多比特的信息量。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，一种代表1状态。
3、码元可以用二进制表示，也可以用多进制表示。

1.2 信源、信道与信宿

信源：字面理解就是信息的源泉，也就是通信过程中产生和发送信息的设备和计算机。
信道：字面理解就是信息传送的道路，也就是信号的传输媒介，分为有线信道（如双绞线）和无线信道（如人造卫星传播信号）。
信宿：字面理解就是信息的归宿地 ，也就是通信过程中接受和处理信息的设备或计算机。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

1. 单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电以及电视广播就属于这种类型

2. 双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式使一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来

3. 双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双发可以同时发送和接收信息。

注意：

1. 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则需要两条信道（每个方向各一条）
2. 双向同时通信的传输效率最高

1.3 速率、波特与带宽

波特率：又称为码元传输速率、波形速率、调制速率、符号速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或者信号变化的次数），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。

比特率：又称为数据传输速率、信息速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位为：bit/s。

带宽：原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz）。在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。

1.4 奈奎斯特定理和香农定理

奈奎斯特定理：又称为奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，极限码元传输速率为2W波特（其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz）。

根据奈氏准则，可以得出以下结论：

• 在任何信道中，码元的传输速率是有限的；
• 信道的频带越宽，就可用更高的速率进行码元的传输；
• 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给出限制；
• 要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多个比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法。
  

香农定理：给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用到此速率进行传输时，可以不产生误差。

公式中：W为信号的带宽，S为信道所传输信号的平均速率，N为信道内部的高斯噪声速率；S/N为信噪比（信号的平均速率与噪声的平均速率之比）。

对于香农定理，可以得出以下结论：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高；
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输的上线是确定的；
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输；
• 实际信道的传输速率要比极限速率低不少。

1.5 编码与调制

数据无论是数据的还是模拟的，为了传输的目的都必须变成信号。

• 把数据变换为模拟信号的过程称为调制；
• 把数据变换为数字信号的过程称为编码；

1.5.1 编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。编码的规则有很多种，只要能有效的把1和0有效的区分开即可。常用的编码方式如下：

非归零编码（NRZ）：用两个电压来代表两个数字，如低电平表示0，高电平表示1；或者相反。这种编码容易实现，但没有检错功能。

曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法正好想反。以太网所用的编码方式就是曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码：

常用于局域网传输;
规则是若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情形相反;
特点是：每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

4B/5B编码：将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换为相应的5位码。

1.5.2 数字数据调制为模拟信号

2种调制：

带通调制（把矮个子变高）：类似于增高垫，让矮个子变高了从而过去。即将基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，由此引入3种方式：调幅、调频、调相。

基带调制（换件西装）：给基带信号的低频成分改变波形，使之适应信道的特性。

1.5.3 模拟数据编码为数字信号

最典型的例子就是脉冲编码调制：即采样、量化和编码。

1.5.4 模拟数据调制为模拟信号

模拟数据调制为模拟信号主要有以下几个原因：（了解即可）
1、为了实现传输的有效性；
2、充分利用带宽。

1.6 数据传输方式

数据传输方式包括：电路交换、报文交换和分组交换。

1.6.1 电路交换

1. 电路交换：在源节点和目的节点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接，传输数据和断开连接三个阶段，传输期间一直独占。最典型的电路交换网是：传统电话网络。

2. 关键点：在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽。

3. 电路交换的优点：通信时延小，有序传输，没有冲突，使用范围广，实时性强，操作简单。

4. 电路交换的缺点：建立连接时间长，线路独占，灵活性差，难以规格化。

1.6.2 报文交换

1. 报文交换：也称为存储-转发网络。用户数据加上原地址、目的地址、校验码等信息，然后封装成报文。

2. 报文交换技术的优点：无需建立连接，动态分配线路，提高了线路的可靠性和利用率，提供多目标服务。

3. 报文交换技术的缺点：有转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）；报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络节需要有较大的缓存空间。

注意：报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较先进的分组交换替代。

1.6.2 分组交换

1. 分组交换：也称为包交换网络，原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址，源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。

2. 分组交换的优点：无需建立时延，线路利用率高，简化了存储管理，加速传输，减少了出错概率和重发数据量。

3. 分组交换的缺点：存在传输时延；需要传输额外的信息量；当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的节点时，要对分组按节点进行排序等工作，因此很麻烦。

1.7 数据报与虚电路

数据报服务和虚电路服务都由网络层提供。

数据报服务特点如下：

• 发送分组前不需要建立连接。
• 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；每个分组独立的选择路由，转发的路径可能不同，所以分组不一定按序到达目的节点。
• 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。
• 分组在交换节点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。不过时延一般较小，提高了网络的吞吐量。
• 网络具有冗余路径，对故障的适应能力强。
• 收发双方不独占某一链路，资源利用率较高。

虚电路服务的特点：

• 用户之间必须建立通信连接，相对于数据报时延较小；
• 通常分组走相同的路径，按序到达目的主机；
• 分组首部不包含目的地址，而是包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小；
• 交换机或路由器失效时，经过该链路的交换机则遭到破坏。

二. 传输介质

2.1 传输介质分类

传输介质分为两大类：导向性传输介质（用线来传播）和非导向传输介质（在自由空间中自由传播，如红外线，微波）。

2.1.1 导向性传输介质

导向性传输介质包括：双绞线、同轴电缆和光纤

如下是同轴电缆：

如下是双绞线：

如下是光纤：

多模光纤

• 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。

单模光纤

• 若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

2.1.2 非导向性传输介质

无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，被广泛应用于通信领域，如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网等。

目前高带宽的无线通信主要使用三种技术：微波、红外线和激光。

微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为2~40GHz，因而通信信道的容量大。

卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信的限制。

2.2 物理层接口特性

三. 物理层设备

3.1 中继器

物理层设备主要包含中继器和集线器。

中继器：将信号整形并放大再转发出去，消除信号的失真和衰减问题，具有5-4-3规则。

5-4-3规则：任意两台计算机之间最多不能超过5段线，4个集线器，其中只能有3个集线器直接与计算机或网络设备连接。如果不遵循此规则，将会导致网络故障。

注意：放大器和中继器都是起放大信号的作用，只不过放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号。

3.2 集线器

中继器是普通集线器的前身，集线器实际就是一种多端口的中继器，对信号进行放大后发到其它所有端口。

注意：
通过中继器或者集线器连接起来的几个网段仍然是一个局域网；