【计算机网络】计算机网络复习总结 ------ 物理层

计算机网络

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本文为计算机网络相关考试的书本内容详细总结

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之前专栏分享过自顶向下的分析方法，本文采用常规的自底向上的方法从物理层到应用层对计算机网络相关的内容、概念进行系统复习，总结；而计算类型题目本文暂不涉及

本文内容来自cfeng自我理解，可能有误，欢迎指正~

物理层 physical layer

物理层主要考虑理想信道和非理想信道数据最大传输速率， 相关的奈奎斯特定理，香农定理， 各种传输介质 【物理层常见的网络硬件： 中继器、 集线器】

一个通信系统 ： 源系统， 传输系统， 目的系统（移动通信）

物理层的主要功能： 确定物理接口的机械、电气、功能和规程特性，透明地传送bit流 ， 考虑的是怎样才能在连接各种计算机地传输媒体上传输bit流，而具体地传输媒体不是重点

• 机械特性： 指明接线器 的形状和尺寸
• 电气特性： 接口电缆的各条线上的电压范围、信号编码、脉冲宽度、数据传输速率… 【信号电平使用负逻辑，1表示负； 】
• 功能特性： 某条线上的某一电平的电压表示什么意义， 接口引脚的功能
• 规程特性： 不同功能的各种事件可能事件的出现顺序，比如应答关系…

计算机网络中的硬件设备和传输媒体很多，通信手段也很多，物理层可以尽力屏蔽掉不同的媒体和通信手段的差异， 使得物理层上面的链路层感受不到差异， 保证上层服务只考虑本层的协议和服务，不需要考虑底层的相关的传输媒体和通信手段
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相关概念术语

信息

客观事务属性和相互关系特性的表征， 就是事务、特征等的表述

数据 data

信息的数字化形式， 运送信息的实体， 分为模拟 和离散两种类型

信号 signal

数据的电磁编码， 数据的电气表现， 信号是适合在传输介质上进行传输的对象， 分为模拟信号和离散信号

模拟信号： analogous， 取值连续变化的信号 （连续）

数字信号： digital ： 取值是离散数值的信号 （离散)

• 调制 ： 将数字信号转换为 模拟信号的过程 【离散 ----> 连续】， 对信号源的信息进行处理后加载到载波频率上，让其适合传输 （按照移动计算中的说法， 就是按照一定的监督规则，向其中加入监督码元）
• 解调：： 将模拟信号转化为 数字信号的过程 【连续 — > 离散】
• 编码： 离散数据的数字信号表示过程
• 信号的频率f ： 模拟信号每s 波形重复次数， hz， f = 1/T
• 信道： 传送信号的介质 【单向性】

码元 code cell 【波特率B — 信号v】

在数字信号中，不同离散值基本波形

信号（码元）的传输速率B ---- 每s传输的码元数量 ， 也就是波特率， Baud

B = 1/T

T为码元的宽度， 单位为s ， 信号传输速率就是波特率

比特率R ---- 数据v

数据传输速率 ---- 每s传输二进制数据的位数，单位bit/s， 也就是比特率

R = 1/T * log2 N

T就是码元的宽度，N 为码元编码的不同离散状态的个数，log2N 一个码元中的bit数

四相调制，N=4，一个信号的宽度T =  833 * 10^(-6)  【按照移动计算中， 四相信号就是2bit

波特率B = 1/T = 1200 Baud
比特率 =  1/T * log2（4） = 2400 bit/s
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波特率和比特率就像高速路上的车流速率和人流速率， 一个车可以坐N人，那么速度就是N倍

按照信号与系统中，任何一个周期t的函数都可以展开为多个正弦函数和余弦函数的和

基带信号 baseband

信号源直接产生的信号，包含很多低频成分，甚至直流成分，没有经过处理， 基带传输系统一次只能传输一个基带信号，占用一个信道，串行

基带系统使用中继器再生中继， 有些信道不适合传输基带信号，就需要调制（加入码元， 高频）

带通（频带）信号

将基带信号经过载波调制后，将信号的频率范围转移到较高的频段以便在信道中传输【有的信道只允许一定频率的信号通过】， 调制成高频模拟信号，再对多路高频模拟信号频分多路复用合并

带通系统可以接入多路信号，并行，可以传输更多的数据，使用了额外的硬件（放大器）， 带通传输更贵

单工 simplex 半双工 全双工

• simplex 单工 ： 只能有一个放行的通信，没有反方向的交互
• half duplex 半双工： 通信双方都可以发送信息，但是双方不可以同时发送，因为没有多路，只有单路进行通信， 双向交替通信
• full duplex 全双工： 通信双方可以同时发送和接收信息， 双向同时通信

失真

失去真实性， 接收到的信号和发送的信号不同， 有磨损和衰减

码元传输速率，信号传输距离，噪声干扰，传输媒体的质量都会影响失真

理想信道

无噪声和外界干扰， 二进制信号通过带宽有限的理想信道时，会产生失真，带宽和信道带宽差距越大，失真越大

奈奎斯特定理 （理想）

对于一个带宽为W hz的理想信道，最大的码元传输速率 为 2W Baud

理想信道最大波特率B = 2W Baud

因为最大波特率为带宽 W的2倍， 最大的比特率R

R = 2W * log2 N

4KHZ信道， 调制解调器， 状态数为4
理想的码元速率B = 8K B
R = 8K * log2（4） = 16k bps
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非理想信道

任何实际的信道都不是理想的 ，在传输信号时会产生各种失真， 信道噪声外界干扰越大，介质质量越差，信号失真越严重

信噪比 signal to nosie ratio

信号的平均功率和噪声的平均功率之比，S/N， 信噪比 （单位为DB 分贝）

信噪比 = 10 * log10（S/N)

香农定理 （非理想）

带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率C(比特率), 信道带宽为W hz， 信道内所传信号的平均功率S， 高斯噪声功率N

C = W * log 2 (1 + S/N) bps

C = W * log2 (1 + 10 ^(信噪比/10))

信噪比30DB， 带宽3K hz， 最大传输速率C

信噪比 = 10 * log10 (S/N) = 30

S/N = 10 ^ (信噪比/10)

C  = 	W * log2 （1 + 10^（信噪比/10））

C = 3K * log2 (1 + 1000) ≈ 30K bps
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所以信噪比越大， 数据极限传输速率越高， W或者S/N没有上限，那么C无上限，只要数据传输速率低于极限传输速率， 使用合适的信号编码，就可以实现无差错传输

信号衰减

随着信号的传播，信号能量会逐渐减少（移动计算中载波受到各种效应的影响），为了补偿衰减，需要使用中继器进行中继转发

模拟信号使用信号放大器增强模拟信号， 数字信号使用中继器波形再生

误码率

平均误码率： 单位事件内接收到的出错码元数量占总码元数的比例 P = ne/ n

二进制传输中，码元和bit等级，误码率和误比特率，但是多进制传输，二者不等， 一般要求误码率低于10（-6)

传输介质

概述中提过理想状态电磁波的速率5 * 10^8 m/s， 光纤中为2 * 10^8 m/s; 传输的介质是位于发送设备和接收设备之间的物理线路， 用于传输信号

有线传输介质

• 同轴电缆 : 绝缘体包围的一根中央铜线、金属屏蔽层，塑料封套
• 双绞线 : 两条互相绝缘的铜线缠绕， 适合短距离传输
• 光纤 : 光传播玻璃芯， 外包裹折射率较低的玻璃封套，再外面是塑料外套， 抗干扰

无线传输介质

• 无线电 ： 电子运动产生电磁波，真空中以光速传播， 在介质中慢一些
• 微波：地面微波、卫星微波 多路复用，射频工作，中继接力
• 红外线: 短距离通信
• 激光： 方向性强

数据传输系统

数据传输 利用信号将数据从发送端传送到接收端， 分为模拟传输系统和数字传输系统【传输模拟、数字信号】

数字信号调制为模拟信号的方式： 【移动计算重点】 ASK, FSK, PSK

幅移键控 ASK

载波的振幅随着基带数字信号的变化而变化， 而噪声【数据传输中由于电磁感应等现象引起的不期望的信号】， 噪声主要改变信号振幅， ASK 受噪声影响大

调幅AM： 高频载波信号振幅随着调制信号变化而变化

频移键控 FSK

载波频率随着基带数字信号变化而变化， 只是改变载波频率，相位和振幅不变

OFDM 不能使用频移监控，因为就是正交多频率多路复用，频率相互正交，频移之后会受影响

调频FM： 高频载波信号频率随着调制信号振幅变化而变化

相移监控 PSK

载波的相位随着基带数字信号的变化而变化

调相PM : 高频载波信号的相位随着调制信号的振幅变化而变化

脉冲编码调制PCM ： 是将模拟信号调制为数字信号【电话交换系统】 连续===> 离散
采样，量化， 编码
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采样定理

奈奎斯特提出： 当采样频率大于 信号最大频率的2倍后， 采样之后的数字信号最大程度保留原始信号的信息【实际应用中保证5—10倍】

按照采样定理： PCM中， 语音信号的频率最大4KHZ ，采样频率保证8K hz就可以保证保留原始信息
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数字信号编码

数字数据 —> 数字信号

按照规定的编码格式对数字数据进行编码或者解码

不归零码NRZ： 全宽码， 一个码元占一个单位脉冲

差分不归零码 DNRZ ： 利用信号的起始有无跳变表示二进制数据； 高速网络主要采用两级DNRZ

曼彻斯特码： 码元中间电压跳变的相位不同区分1，0； 正向跳变0，负向跳变1，跳变都发生在每一个码元的中间， 信号速率是传输速率2倍

差分曼彻斯特码： 码元中间必须跳变，起始位置有无跳变，有为0，无跳变则是1

可以看的很清楚，NRZ码就是低电平表示0，高电平1， 一个码元一个脉冲； 曼彻斯特每个码元中间跳变，正向0，负向1； 差分主要是区分起始有无跳变

曼彻斯特码的信号速率因为使用跳变表示，变为2倍，高速网络不采用，中低速网络采用

信道复用 channel multiplexing

多个用户共享同一个信道

复用的关键就是接收端要能够区分不同的信号 【就像打电话用不同的语言，不同的时间】

• 频分多路复用FDM： 针对模拟信号，按照频率划分

  每路发送设备产生的信号利用频率不同的载波信号调制为不同频率的高频调频信号，再组合一个复合高频信号 ，比如OFDM – 互相正交 【不同的用户占用的共享信道不同的带宽资源】频率不同

• 波分多路复用 WDM（ wave divsion Multiplexing） FDM在光纤中的应用

  就是光的FDM， 将不同波长的光进行划分— 使用棱镜

• 时分多路复用 TDM： 针对数字信号，分为同步和异步

  将时间划分为一段段等长的时隙，一个时隙内传输的数据帧为时分复用帧TDM帧， 每一个用户再一个TDM帧占用固定的序号时间， 时间片周期性出现

同步TDM可能会资源浪费： 用户对于子信道的利用率不高， 因为每一个用户的时间片长度相同，时隙相同

异步方式可以按需分配时隙和时间片

通信方式 - 传输方式

按照传输数据的时空顺序，传输方式分为：

• 串行传输： 数据再一个信道上按位依次传输， 所需线路上，收发端同步
• 并行传输： 数据在多个信道上同时传输， 适合传播距离短的高速率传输

通信同步方式

通信双方需要在协议中定义通信的同步方式，按照规定同步方式传输

• 同步通信： 发送端和接收端在时间上必须保持同步或者一致，需要统一时钟， 需要知道开始和结束时间判断； 同步传输以数据块为单位【 头部和尾部包含特殊的字符，附加校验标志】， 数据块之间的时间间隔固定

• 异步通信： 以字符为传输单位，一次传输一个字符，每一个字符附加1bit起始位和1-2bit停止位； 字符之间的时间间隔可变

用户到互联网的宽带接入方式包含非对称数字用户线ADSL 【直接对现有的模拟电话线进行改造，不需要重新布线】， 还有就是光纤同轴混合网HFC（有线电视网基础上改造）和FTTX（光纤到户）

物理层主要就是解决透明化传输bit流，实现点到点的物理线路上的信息传输~