计算机网络 | 物理层

参考视频：王道计算机考研 计算机网络

参考书：《2022年计算机网络考研复习指导》

计算机网络 | 物理层

基本概念

物理层的概念：物理层解决如何在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。

物理层的任务及其作用：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。

物理层的接口特性：

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。
   举例：某网络在物理层规定，信号的电平用 +10V ~ +15V（电压范围）表示二进制0，用 -10V ~ -15V 表示二进制1，电线长度限于15m以内（距离限制）。
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用途。
4. 规程特性：
   又称过程特性，定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信基本知识（一）

数据通信：在不同计算机之间传输表示信息的二进制0、1序列的过程。

一个数据通信流程的例子

通信的目的是为了传送消息。

数据通信相关术语

• 消息：语音、文字、图像、视频等。
• 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。
  • 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。

信道的分类：

• 按传输信号来分：模拟信道（传送模拟信号），数字信道（传送数字信号）
• 按传输介质来分：无线信道，有线信道

三种通信方式

从通信双发信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1. 单工信道：只能由一个方向的通信而没有反向的交互，仅需要一条信道。
2. 半双工信道/双向交替通信：通信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。
3. 全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。

数据传输方式

串行传输和并行传输

同步传输和异步传输

小结

数据通信基本知识（二）

码元（Symbol）

码元的定义：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长称为码元宽度。

当有码元的离散状态有 M 个时，此时码元位 M 进制码元。

1个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状态，一种代表0状态，另一种代表1状态。

个人理解：码元就是在网线上传输的一个个信号段。码元的不同进制就是用来表示不同的数值的。

波特（Baud）

波特（Baud）：用来指一秒可以传输多少个码元。

速率

分为码元传输速率和信息传输速率。

信息传输速率就是b/s，就是我们平常说的网速。

码元可以理解为几个比特的集合，所以有这样的关系：

信息传输速率（网速）= 码元传输速率 x 码元所带信息量（多少比特）。

码元所带信息量（比特数）= log₂（码元进制数）。

带宽（Band Width）

带宽：表示在单位时间内网络传输的最高数据率，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。

奈氏准则和香农定理

奈氏准则是在理想状态下得出的结论，香农定理是在有噪声的信道中得出的结论。

失真

失真又称畸变，指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。

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。

奈奎斯特定理（Nyquist）

在理想状态（低通、无噪声、带宽受限）下，为了避免码间串扰，信道的极限码元传输速率（bps）等于信道带宽（单位：Hz）的2倍。

信道的极限速率（bps）等于信道带宽的2倍（理论状态），是对传输2进制数据而言。也就是说信号要么是高，表示0；要么是低，表示1。这时一个周期最多表示一个高，一个低。一个周期2位。

但如果有四种信号，分别表示00，01，10，11，那么一个信号就表示2位，就是可以传输4倍带宽。这就是编码方式。

例题：

香农定理（Shannon）

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。

说明：

例题：

小结

例题：

两个公式得到的较小值才是答案。

编码与调制

基带信号和宽带/带通信号

注：计算机网络中用的基带信号是数字信号。

编码

编码：将数据转化为数字信号的过程。

数字数据（digtal data）通过数字发送器（digit emitter）转化为 数字信号（digtal signal）。

模拟数据（analog data）通过 PCM 编码器（PCM coder）转化为 数字信号（digtal signal）。

数字数据编码为数字信号

• 单极性不归零编码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0。
• 双极性不归零编码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0。
• 单极性归零编码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。
• 双极性归零编码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。
• 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。

单极性编码的缺点是没有办法区分此时是没有信号，还是有信号，但是信号是0。

• 曼彻斯特编码：比特中间有信号，低-高跳转表示0，高-低跳转表示1，一个时钟周期只可以表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。它能携带时钟信号，而且能区分此时是没有信号还是信号为0。

• 差分曼彻斯特编码：抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0，bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。

• 4B/5B 编码：比特流插入额外的比特以打破连续的0或1。编码效率为 80%。

模拟数据编码为数字信号

典型例子：对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。

步骤：

1. 采样：采样频率必须大于等于最大频率的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。
2. 量化：把采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。
3. 编码：把量化的结果转化为对应二进制编码。

注：采样和量化的实质是分割和转换。

调制

调制：将数据转化为模拟信号的过程。

模拟数据（analog data）通过调制器（modulator）转化为模拟信号（analog signal）。

数字数据（digtal data）通过放大器调制器转化为模拟信号（analog signal）。

数字数据调制为模拟信号

• 幅移键控（ASK）：改变载波信号的振幅来表示0和1，频率、相位都不改变。
• 频移键控（FSK）：改变载波信号的频率来表示0和1，振幅、相位都不改变。
• 相移键控（PSK）：改变载波信号的相位来表示0和1，振幅、频率都不改变。
• 正交振幅调制（QAM）：在频率相同的前提下，将 ASK 和 PSK 结合起来，形成叠加信号。
  设波特率为 B，采用 m 个相位，每个相位有 n 个振幅，则该 QAM 技术的数据传输速率 R = B × log₂(mn)（单位：b/s）。

模拟数据调制为模拟信号

小结

数据交换方式

数据交换有3种方式：

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

电路交换

电路交换的3个阶段：

1. 建立连接
2. 通信
3. 释放连接

特点：独占资源，用户始终占据端到端的固定传输带宽。

适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

电路交换的优缺点：

报文交换

报文交换的优缺点：

分组交换

分组交换的优缺点：

数据报方式

数据报方式的特点：

虚电路方式

虚电路方式的特点：

数据报和虚电路的对比

数据交换方式的选择

物理层传输介质

传输介质：数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输介质分为：

• 导向性传输介质：电磁波沿着固体媒介（铜线/光纤）被导向传播。
• 非导向性传输介质：自由空间，如空气，水等等。

常见的导向性传输介质

双绞线

根据有无屏蔽层分为：

• 屏蔽双绞线（STP）
• 无屏蔽双绞线（UTP）

同轴电缆（Coaxial Cable）

同轴电缆（Coaxial Cable）的抗干扰性比双绞线好，被广泛应用于传输较高速率的数据，传输距离更远。

光纤（Optical fiber）

根据入射角不同，光纤（Optical fiber）又分为单模光纤和多模光纤。

光纤的特点：

常见的非导向性传输介质

常见的非导向性传输介质包括无线电波、微波、红外线和激光等。

小结

物理层设备

中继器（RP repeater）

5-4-3规则：为了限制中继器使用次数。

• 5是指不能超过5个网段。
• 4是指在这些网段中的物理层网络设备（比如中继器，集线器）最多不超过4个。
• 3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机。

集线器（Hub）

集线器的本质：多端口中继器。

集线器是个大的冲突域，同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号，没有智能。

第2章总结