王道考研计算机网络第二章--物理层

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。
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。（比如某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~+15V表示二”进制0，用-10V~-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内）
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用途。（描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时）
规程特性：(过程特性)定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2.1.2数据通信基础知识

1典型的数据通信模型

传统电话网：需要调制解调器（猫）
现在的宽带：不需要调制解调器（猫）

2数据通信相关术语

通信的目的是传送消息。

数据:传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

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。

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。

3三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式:

1.单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。（同一时间段只可以一个人在发送且整个时间段不能变成接收端，另一个人只能接收且不能变成发送端，类似bb机）

2.半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。（发送方可以成为接收方，类似对讲机）

3.全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。（类似打电话）

4两种数据传输方式

串行传输比较普及，并行传输用于计算机内部数据传输（打印机、扫描仪等）

2.1.3码元、波特、速率、带宽

1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。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。

4进制码元：4种波形，1波形对应2个比特，而1波形代表1码元，于是4进制码元中1码元携带2个比特的信息量。

2速率、波特、带宽

速率：（按照1.1.3速率相关的性能指标--1速率的说法：速率即数据率或称数据传输率或比特率。如果只说速率感觉就是信息传输速率），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。

传输速率和传播速率的区别：传输速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率（1.1.3速率相关的性能指标--1速率中提到了）。而传播速率是在整个信道上进行传播的速度。我们知道数据要进行传输的话，要先转成新号的形式，然后以电磁波或者光波为载体传输，因此体现信道上的传播速率就是电磁波或光波的传播速率。
码元传输速率（1s传输多少个码元）: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数)，单位是波特(Baud，1Baud=1码元/s)。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。
二进制：1秒传了5个码元，每个码元携带1比特。
信息传输速率（1s传输多少个比特）: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，因为二进制中，一个码元携带一个比特)，单位是比特/秒(b/s) 。

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M ✖️ n bit/s。

例：若一个码元携带2 bit的信息量（由此可知是4进制码元），则5 Baud的码元传输速率（即1s传输5个码元）所对应的信息传输速率为5 ✖️ 2 = 10 bit/s。

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。

带宽是理想状态中的传输速率（最高数据率），速率是指实际中的传输速率。

练习题：某一数字通信系统传输的是四进制码元,4s传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?若另- -通信系统传输的是十六进制码元,6s传输了7200个码元，求他的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?并指出哪个系统传输速率快?

四进制码元：2000Baud，4000b/s;十六进制码元：1200Baud, 4800b/s; 十六进制更快
四进制码元系统
码元传输速率就是8000/4=2000Baud,信息传输速率就是2000* $log 2^{4}$ =4000b/s
十六进制码元系统
码元传输速率就是7200/6=1200Baud，信息传输速率就是1200* $log2^{16}$ =4800bit/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速率。

2.1.4编码与调制

1基带信号与宽带信号

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。

信道按传输信号的不同分为：模拟信道（传输模拟信号）；数字信道（传输数字信号）
信道按传输介质的不同分为：无线信道（空气传输）；有线信道（电缆，光纤传输）

信道上传送的信号分为基带信号（可以是数字信号也可以是模拟信号）和宽带信号

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)。

解释：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（也是数字信号）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（也是模拟信号）就是基带信号。
而在计算机网络中，信源最开始发送的都是数字信号，这种数字信号直接放到数字信道上进行传输就叫做基带传输。所以在计算机网络中记住基带传输对应数字信道就OK了！

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)。

解释：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)。
举例：一个播音员通过广播讲话，播音员的声波（也是模拟信号）就是基带信号。但是这个信号在传输过程中会有损耗，面对这种情况要把基带信号进行调制（即频率提高），然后在接收端可以过滤出基带信号（即解调）。

基带信号与宽带信号的区别：

直接传播的就是基带信号，需要调制的就是宽带信号。
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)。例如电脑连的显示器就是基带传输。
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)

2编码&调制

上小节1基带信号与宽带信号中宽带信号所列举的广播员的例子就属于模拟数据-->模拟信号。设备不是重点，理解就行。

3数字数据编码为数字信号

(1)非归零编码[ NRZ] (4)归零编码[RZ]
(2)曼彻斯特编码 (5)反向不归零编码[ NRZI]
(3)差分曼彻斯特编码 (6) 4B/5B编码

(1)非归零编码[NRZ ] 高1低0

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。

(2)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元1;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--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。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。（这一点很特殊：看图可知1个时钟周期内信号变了两次或者说脉冲个数是2，于是调制速率或者说码元传输速率是数据传输速率的2倍）

(3)差分曼彻斯特编码 同1异0

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0，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。

(4)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。

(5)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。
缺点：对于全0的数据是OK的；如果发送端的信号是全1那么接收端就不知道发送了多少个1。于是还需要建立新的信道，发送端和接收端确定好时钟周期，每个数据是多长。

(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。

4数字数据调制为模拟信号

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。

调幅+调相(QAM )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?

1200✖️ $log2^{4\cdot 4}$ = 4800 b/s 4个相位，每个相位4种振幅，所以共有4*4=16种波形，16种波形也就对应16个码元。每个码元带 $log2^{4\cdot 4}$ =4bit信息量。

5模拟信号编码为数字信号

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:抽样、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。（也就是码元）

3.编码：把量化的结果转换为与之对应的二讲制编码。（也就是比特）

6模拟数据调制为模拟信号

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。

、

7脑图时刻

2.1.5奈氏准则和香农定理

1失真

影响失真程度的因素: 前面三种是正相关，第四个是负相关。

码元传输速率越快越失真
信号传输距离越远越失真
噪声干扰越多越失真
传输媒体质量越差越失真

2失真的一种现象--码间串扰

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。码元的传输速率太快导致码元之间界限不清楚，分不清是0还是1。于是有了奈氏准则。

3奈氏准则(奈奎斯特定理)

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。（注意：计算机网络中带宽的单位一般是“比特每秒”，但是在奈氏准则和香农定理中带宽单位是Hz）

理想低通信道下的极限数据传输率= $2Wlog_2 V(b/s)$

式中，2W：极限码元传输速率（这里的带宽区分一下1.1.3速率相关的性能指标--2带宽中的：最高数据率。这里的带宽是指：极限码元传输速率/2）； $log2^{V}$ ：就是一个码元携带多少bit的信息量，V是V进制。

对于奈氏准则，可以得出以下结论：

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。
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。
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。
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：在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz ,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少?

信号有4x 4=16种变化最大数据传输率=2 x 3k x4=24kb/s

4香农定理

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。

香农(Shannon)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,当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。

香农定理定义为：信道的极限数据传输速率= $Wlog_2(1 + S/N)$ (b/s)

式中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比= 10lg(S/N) (单位为dB)，例如如当S/N= 10时，信噪比为10dB，而当S/N= 1000时，信噪比为30dB。

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，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。
~~从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。~~

例题：

5“Nice”和“香浓”

奈氏准则与香农定理的区别：奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。

如果题目既给出V又给出S/N，那么两个都要求一下，取最小值。

2.2物理层传输介质

2.2.1传输介质及分类

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。

传输媒体并不是物理层。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。（物理层是傻瓜，传输媒体连傻瓜都不如）

传输介质分类：

1导向性传输介质-- 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。

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)。

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导向性传输介质--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。

同轴电缆Vs双绞线
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。

3导向性传输介质--3.光纤

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108MHz，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。

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。

4非导向性传输介质

5脑图时刻

2.3物理层设备

2.3.1中继器

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。

中继器的功能：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。

中继器的两端：

两端的网络部分是网段，而不是子网（链路层和网络层会讲到），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。（傻，不会看数据是否有错误，只是单纯发送）
两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
中继器两端的网段一定要是同一个协议。(中继器不会存储转发，所以需要同一个协议，傻)

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。（最多5个网段、4个物理层设备、3个可以连接计算机）

2.3.2集线器（多口中继器）

集线器的功能：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，是个共享式设备。

2.4第二章总结

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