计算机网络物理层知识点总结

本篇博客是基于谢希仁编写的《计算机网络》和王道考研视频总结出来的知识点，本篇总结的主要知识点是第二章的物理层。上一章的传送门：计算机网络体系结构-CSDN博客

通信基础

物理层概念

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（即定义标准）

物理层接口的特性

数据通信基础知识

数据通信模型

• 调制解调器就是路由器

数据通信相关术语

• 通信的目的是传送消息（消息:语音、文字、图像、视频等）。
• 数据data: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。

数据通信的方式

• 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。（广播）
• 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。（对讲机）
• 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。（打电话）

串行传输&并行传输

串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。只有一条信道在传输数据。

特点：速度慢，费用低，适合远距离

并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。

特点：速度快，费用高，适合近距离。

码元，速率，波特

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。

例如：K进制码元——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(四种不同的电平)，这时一个码元携带两个比特的信息量。

计算一个码元可以携带多少个比特的信息量：先确定是几进制码元，假设为M进制，则一个码元携带Log₂M个比特。

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。

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。

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 )

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。

 奈氏准则，香农定理

失真

影响失真程度的因素: 1.码元传输速率 ⒉信号传输距离 3.噪声干扰﹐4.传输媒体质量

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。

奈氏准则

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：只有在这两个公式这带宽才用Hz! !

• 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。

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。信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB）作为度量单位，即:

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

• 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。

对比分析

编码和调制

基带信号与宽带信号

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）。

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）。

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)

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)

编码和调制

数字数据：即离散数据，即数据的变化是不连续的（离散的）。

• 一封电子邮件：电子邮件中的文本内容、附件（如图片、文档等）都是以数字形式表示的数据。
• 数字照片：通过数码相机拍摄的照片是以数字形式存储的，每个像素都用数字表示其颜色和亮度。
• MP3 音乐文件：音乐文件可以被转换为数字形式，然后以数字信号的形式进行存储和传输。
• 网页内容：网页中的文本、图像、视频等内容都是以数字形式在网络上传输的。

模拟数据：即连续数据，即数据的变化是连续的。

• 电话通话中的语音信号：在传统的电话网络中，语音信号是以模拟形式传输的，通过模拟信号来表示声音的波形。
• 电视信号：传统的模拟电视信号是以模拟形式传输的，包括视频信号和音频信号。
• 温度传感器输出：某些温度传感器输出的数据是以模拟形式表示的，通过模拟信号来表示温度的变化。
• 光线传感器输出：光线传感器输出的数据也是以模拟形式表示的，用来检测光线强度的连续变化。

数字数据编码为数字信号

以下是一些常见的数字数据编码为数字信号的方法：

非归零编码

高1低0

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o则正好相反。也可以采用相反的规定

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。

差分曼彻斯特编码

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。

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。

模拟信号编码为数字信号

模拟数据调制为模拟信号

为了 实现 信号传输 的 有效性 , 可能需要以 较高的频率 传输信号 ;

提高 信号频率 的同时 , 还可以使用 频分复用技术 , 充分利用 带宽 资源 

模拟信号 调制为 模拟信号" 示例 :

电话机 与 本地交换机 之间传输的信号 , 就是 将 模拟信号 调制后的 模拟信号 ;

前者是 模拟的声音信号 ( 低频信号 ) , 后者是 模拟的载波信号 ( 高频信号 ) ;

人说话的声音 , 声带振动的频率很低 , 几十到几百赫兹 ; 电磁波的信号 都是百万赫 , 吉赫兹 级别的 ；使用电磁波传输声音 , 需要将频率提高 几百到几万倍不等 。

数据交换方式

思维导图

为什么要进行数据交换

当有多台计算机要进行数据交换时，若每俩台计算机建立一条链路会耗费很大的成本；所以产生了如上图中间所示的星形拓扑结构；若计算机数量巨大时，就会产生交换网络。

数据交换方式

电路交换

最主要的特点就是独占链路，在AB建立连接后，交换设备ABCD这条链路就无法被他人使用直到主机AB连接断开

数据交换过程

• A发送一个建立连接的请求，通过路由选择算法到达B，B回复给A一个应答请求，连接建立
• 双方开始传输数据
• 同过程1类似，此次发送释放连接的请求，连接断开

优缺点

报文交换

最大的特点就是不独占链路且可以存储转发

源给A，A发现B空闲给B，不空闲暂存；B发现目的空闲，给目的
只有传输的那一段是占用的；当A给B传，只有AB这条链路被占用，其他的主机仍可以使用其他链路
通俗来讲就是发QQ的过程，不管对方在不在线你都可以发，发过去以后存着，等上线了就能看到

优缺点

分组交换

他与报文交换的唯一区别就在于他限制了一次可以发送数据块的大小，把数据报切割成许多小的数据块进行发送

先把数据报切块，然后在每个数据块加上头部信息(编号，源地址、目的地址…),然后进行存储转发，最后接收方在拼合成一个数据报。这里的给每一个分组添加一个编号的作用就是可以让接受方按序拼合报文
通俗了讲，就是你在淘宝买了一套龙族(1-5)，但是它一本一本的发货，哪本先到不知道，但是你最终还是收到了一套龙族(1-5)

优缺点

分组交换的数据报交换方式

分组交换的虚电路交换方式

就是数据报交换方式和电路交换的结合，虚拟的建立了一条逻辑电路，结合了数据报交换方式和电路交换的优点
虚电路号：就是唯一标识虚拟电路的编号，不需要源地址目的地址

分组交换的虚电路与数据报方式的对比

如何选择数据的交换方式

物理层传输介质

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。

下面是传输介质的分类：

导向性传输介质

双绞线

同轴电缆

双绞线VS同轴电缆

光纤

光纤的分类又可分为单模和多模光纤

真实的光纤，直径约0.2mm

光纤的特点

非导向性传输介质

物理层设备

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，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。（后面会讲解网段，子网的相关内容）

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，是一个共享式设备。