【计算机网络】物理层总结——基本知识要点汇总

halo~我是bay_Tong桐小白
本文内容是桐小白个人对所学知识进行的总结和分享，知识点会不定期进行编辑更新和完善，了解最近更新内容可参看更新日志，欢迎各位大神留言、指点

【更新日志】

最近更新：

• 新增内容——部分模块增加历年真题摘录（2020.7.30）
• 持续更新中……

结构导图

【PS：这一部分主要涉及一些通信学科的内容，概念相对杂碎繁多】

通信基础

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据比特流，而不是指具体的传输介质（传输介质也称传输媒体，本身并不属于物理层的范围）。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉不同传输介质和通信手段的差异

基本概念

信号与码元

• 信号是数据的电气或电磁的表现，是运载信息的工具，换句话说，信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。根据信号中参数的取值方式，通常将信号分为模拟信号和数字信号两种
  
• 码元，承载信息量的基本单位。在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元，而这个间隔被称为码元长度。当码元的离散状态大于2个时（如M大于2时），此时码元为M进制码元。在采用最简单的二进制编码时，一个码元就是一个比特，但在比较复杂的编码（多进制编码）中，一个码元可以包含多个比特
  

信源、信宿与信道：一个数据通信系统可分为三大部分，即信源、信道和信宿

• 信源：在通信系统中，信源是信息的源头，一般是产生数据的设备或计算机，也称为源站
• 信宿：是信息的归宿，一般是接收数据的重点，也称为目的站
• 信道：是传输信号的通道，可分为物理信道和逻辑信道。【信道与电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道】

相关概念

• 基带信号：在信道上传输的信号未经过调制，即来自于信源的信号，也就是基本频带信号。基带信号所占的频带称为基带
• 频带信号：在信道上传输的信号经过调制，即将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，这种信号仅在一段频率范围内（即频带）能够通过信道，也称带通信号
• 基带传输：在数字通信信道上直接传送基带信号的方式称为基带传输。在远程通信线路中不能直接传送基带信号，需要利用频带传输
• 频带传输：信号经调制后传输到终端后经再解调的传输方式，是利用模拟通信信道传输数字信号的方法，即将数字信号 (二进制电信号)进行调制变换，变成能在公共电话线上传输的模拟信号(音频信号) ，经传输介质传送到接收端后，再由调制解调器将该音频信号解调变换成原来二进制电信号。 也称模拟传输【模拟信号】
• 宽带传输：是数字信号传输的一种方式，将数字信号变换为特定带宽的音频信号传输，然后在接收端又将它变换过来的传输方式，其中的变换仍由调制——解调器来完成。在计算机局部网络中经常使用宽带传输形式，它能容纳全部广播并可进行高速数据传输，并允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务【数字信号】

【选用何种信号传输方式与信道从适用频带有关】

数据的传输方式可分为串行传输和并行传输，从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单工通信（单向通信），即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互（如无线电/有线电广播、电视广播和遥感）
• 半双工通信（双向交替通信），即通信双方不能同时发送或接收信息（如对讲机、收发报机）
• 全双工通信（双向同时通信），即通信的双发都可以同时发送和接收信息（普遍用于电话、手机、计算机之间的高速数据通信）

带宽、速率与波特率比特率

• 带宽：计算机网络中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”，单位是比特/秒
• 速率（数据率）：即数据的传输速率，是指信道每秒所能传输的二进制比特数，单位比特/秒。速率与信道带宽是紧密相连的，即信道带宽越宽，数据传输速率越高。速率有两种表示形式：波特率和比特率
• 波特率：也称码元速率、调制速率或波形速率，是指单位时间内通过信道传输的码元个数，单位是波特
  【1波特即指每秒传输1个码元，波特本身就已经是代表每秒的调制数，不存在“波特每秒”这样错误的表述。波特率与数据传输率成正比关系】
• 比特率：也称信号速率，指每秒传输的比特数，单位是比特/秒

真题摘录：

• 在相隔2000km的两地间通过电缆以4800b/s的速率传送3000比特长的数据包，从开始发生到接收数据需要的时间是（） 【杭州电子科技大学2017年】
  A.480ms B.645ms C.630ms D.635ms
  答案：D

解析：电缆中信号的传播速度为200000km/s。一个数据包在开始发送到结束数据的时间分为传输时间和传播时间两部分。传播时间 = 2000 / 200000 = 10ms，传播时间 = 3000 / 4800 = 625ms，共635ms

奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特定理（也称奈氏准则，指出即使一条理想的信道，其传输能力也是有限的）

根据奈奎斯特定理可以推断出以下结论：

• 给定信道的带宽，则该信道的极限波特率就确定了，除非改善该信道的带宽，否则不可能超过这个极限波特率传输码元
• 增加信道的比特传送率的途径：
  1.增加该信道的带宽 2.选择更高的编码方式，即采用多元制的编码方法

带奎斯特定理只考虑了无噪声的理想信道，如果存在随机噪声则情况会急剧恶化

香农定理（指出了信息传输速率的上限，实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少）

【香农公式中的S/N是以数字形式表示的，即不需要使用信噪比公式转换为以dB为单位的形式。反过来如果信噪比是以dB为单位，要代入香农公式进行计算之前需要先转换为数字形式】

香农公式根据香农公式可得出以下结论：

• 提高信道信息传输速率的方法：
  1 .提高信道的信噪比 2 .增加信道的带宽
  （若频度带宽确定的信道，如果信噪比不能再提高，且码元传输速率也达到了上限，则可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量，以此提高信息传输速率）
• N→0时，C→∞，即无干扰信道的信息传输率可以为无穷大
• 信噪比一定时，增加带宽W可以提高信道信息传输速率，但噪声为高斯白噪声时（实际的通信系统背景噪声大多为高斯白噪），增加带宽的同时会造成信噪比下降，因此无限增大带宽也只能对应有限信道信息传输速率

真题摘录：

• 如下图所示，如果连接R2和R3链路的带宽为8kHz，信噪比为30dB，该链路实际数据传输率约为理论最大数据传输率的50%，那么该链路的实际数据传输率约为（） 【联考真题2016年】
  
  A.8kb/s B.20kb/s C.40kb/s D.80kb/s
  答案：C

解析：

编码与调制

数据须转换成信号才能在信道上传输。编码是把数据转换为数字信号的过程，调制是把数据转换为模拟信号的过程

编码
数字数据编码为数字信号（用于基带传输中，能够在基本不改变数字数据信号频率的情况下直接传输数字数据），编码规则有多种：

• 归零制RZ：正脉冲代表1，负脉冲代表0，每位传输之后都要归零
• 不归零制NRZ：高电平代表1，低电平代表0（或者反过来定义），这一电平信号要栈满整个码元的宽度，中间不归零
• 不归零反转NRZI：将当前信号的跳变或反转编码为1，将当前信号的保持编码为0（或者反过来定义）
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1（或者反过来定义）
• 差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
• 4B/5B编码：在比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，即用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方

【以上编码方案中不归零制、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特码是二进制数据编码技术中的三种主要编码方案】

真题摘录：

• 下面4种编码方式中属于差分曼彻斯特编码的是（） 【杭州电子科技大学2017年】
  
  答案：B

模拟数据编码为数字信号（要先将模拟信号转换为数字信号，即模拟信号数字化的过程），主要包括三个步骤：

• 抽样（采样），按一定的时间间隔抽取模拟信号在离散时间点上的振幅值，即用抽样值序列代表原始的模拟信号。根据抽样定理当抽样的频率大于或等于 模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被抽样的模拟数据
• 量化，把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，变成有限个可能取值。经过量化就把连续的电平幅值转化为离散的数字量。【PS：抽样、量化后的信号还不是数字信号】
• 编码，将量化后的抽样值（信号电平值）转换为数字编码脉冲

调制
调制就是将来自信源的基带信号（调制信号）加载到高频振荡信号上的过程，实质是将基带信号搬移到高频载波上去（即频谱搬移的过程），目的是把要传输的信号（模拟或数字信号）变换成适合信道传输的高频信号

1.数字调制（用数字信号调制 ）：

• 幅移键控ASK，振幅变化去携带数字数据而频率和相位不变，易实现但抗干扰差
• 频移键控FSK，频率变化去携带数字数据而振幅和相位不变，易实现抗干扰强
• 相移键控PSK，相位变化去携带数字数据而振幅和频率不变
• 正交幅度调制QAM，幅度和相位联合调制的技术，在一定的条件下可实现更高的频带利用率，且抗噪能力强，技术实现简单
  

真题摘录：

• 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（） 【联考真题2009年】
  A.12kb/s B.24kb/s C.48kb/s D.96kb/s
  答案：B

解析：

用数字数据调制模拟信号的数字调制

• 优点：抗干扰能力强，便于计算机对数字信息进行处理，易于加密保密性强，便于集成化；
• 缺点：需要较宽的频带，进行数/模转换时有量化误差且要求的技术和设备复杂

2.模拟调制（用模拟信号调制）：

• 调幅AM，高频载波的幅度随原始模拟数据的幅度变化而变化，载波的频率不变
• 调频FM，高频载波的频率按调制信号的变化而变化，载波的振幅不变
• 调相PM，高频载波的相位随原始数据的幅度变化而变化
  【调相/调频时同时会有调频/调相伴随发生，但变化规律不同。调相在实际中很少应用，主要是用来作为得到调频的一种方法】

模拟调制可将模拟信号调制到高频载波信号上以便于远距离传输

• 优点：直观且容易实现
• 缺点：保密性和抗干扰能力差

真题摘录：

• 下列因素中，不会影响信道数据传输率的是（） 【联考真题2014年】
  A.信噪比 B.频率带宽 C.调制速率 D.信号传播速度
  答案：D

解析：由香农公式可知信噪比与带宽均会影响信道数据传输率，而调制速率会直接限制数据的传输速率，因此A、B、C均会影响信道传输速率。信号的传播速度是信号在信道上传播的速度，与信道的发送速率无关

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

• 三阶段：电路建立阶段、数据传输阶段、电路释放阶段
• 主要优点：通信时延小，实时性强，有序传输，适用范围广，控制简单，避免冲突，透明传输
• 主要缺点：电路接续 时间较长，信道利用率低，缺乏统一标准，灵活性差

报文交换

• 在报文交换中报文始终以一个 整体的结构形式在交换结点处存储，然后根据目的地转发
• 主要优点：无需建立连接，线路利用率高，动态分配线路，提高线路可靠性，提供多目标服务，可建立报文优先级别
• 主要缺点：非实时性，设备要求高

分组交换

• 信息以分组为单位进行存储转发，源结点把报文分为若干个分组，在中间结点存储转发，目的结点再按发送端顺序把分组合成报文
• 主要优点：加速了 数据在网络中的传输，简化了存储管理，减少了出错概率和重发数据量
• 主要缺点：存在传输时延；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，分组到达目的结点时，要对分组编号进行排序等工作，若采用虚电路服务，虽无失序问题但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

真题摘录：

• 在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速度为100Mbps，分组大小为1000B，其中分组头大小20B，若主机H1向H2发送一个大小为980000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送开始到H2接收完为止，需要的时间至少是（） 【联考真题2010年】
  
  A.80ms B.80.08ms C.80.16ms D.20.24ms
  答案：C

解析：

数据报与虚电路

数据报（无连接方式）
在数据报方式中每个分组独立地进行处理，各分组可以经由不同的路径到达终点（此技术中独立处理的每个分组称为“数据报”）

特点：

• 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，分组可能丢失；每个分组独立选择路由，转发的路径可能不同，所以分组不一定按序到达目的结点，需要目的终端设法把它们重新排列。即数据报的可靠通信由用户主机保证。
• 采用存储转发技术，不仅可以减少延迟的延时，而且能够提高网络的吞吐量
• 当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强

虚电路（面向连接方式）
在传送用户数据前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端的虚电路，一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路。即虚电路方式三阶段：虚电路建立、数据传输、电路释放



特点：

• 虚电路建立后，分组的传输路径就确定了，各结点不需要为分组作路径选择判定
• 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组按序到达目的结点，即虚电路的可靠通信由网络保证
• 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
• 当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

数据报服务和虚电路服务的特性比较

以太网简述

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET（引用来自百度百科）

• 以太网有两类：第一类是经典以太网，第二类是交换式以太网
• 以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD的总线技术
• 以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道的才能传送信息，有时也叫作以太
• 由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板

传输介质

传输介质也称传输媒体或传输媒介，是数据传输系统中再发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为两大类，即导向传输介质和非导向传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质

双绞线：最古老但又最常用的传输介质，常见于电话系统和以太网中。

• 把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。普通双绞线（非屏蔽双绞线UTP）外可再加一层用金属丝编织成的屏蔽层，成为屏蔽双绞线STP
• 按性能指标可分为1类、2类、3类、4类、5类、超5类、6类、超6类、7类等类型，3类和5类非屏蔽双绞线在以太网中比较常见
• 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离一般为几到几十公里。距离太远时要加放大器（对于模拟传输）或加上中继器（数字传输）

同轴电缆：由绕同一轴线的两个导体组成，具体由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层、保护塑料外层组成，被广泛用于传输较高速率的数据

• 同轴电缆可分为基带同轴电缆与宽带同轴电缆
• 50Ω同轴电缆主要用于数字传输传送基带数字信号，广泛用于局域网中；75Ω同轴电缆主要用于模拟传输传送宽带信号，广泛用于有线电视系统

光纤：即光导纤维，就是利用光纤传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当于1没有光脉冲相当于0。通常由石英玻璃拉成细丝外加保护层构成

• 由于可见光频率非常高，因此光纤通信系统的传输带宽远大于目前其它各种传输介质的带宽
• 目前光纤传输的实际速率主要受限于光电转换器的速率
• 根据使用的光源和传输模式光纤可分为单模光纤（适合远距离传输）和多模光纤（只适合近距离传输），前者使用激光器作为光源，后者使用发光二极管LED
• 在计算机网络中若数据通讯容量很大且要求很高的传输速率、抗电子干扰能力、低误码率及通信保密性能，应该选择光纤作为传输介质

无线传输介质：指利用各种波长的电磁波充当传输媒体的传输介质。无线传输所使用的频段很广，目前高带宽的无线通信多采用无线电波、微波、红外线和激光等

物理层接口的特性

• 机械特性：定义接口形状、大小、引线数目等
• 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围、传输速率和距离限制等参数属性
• 功能特性：指明传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义、物理接口各条信号线的用途等
• 过程特性：规定建立连接时各个相关部件的工作步骤、用于传输的事件发生的合法顺序等

【另外，物理层还要完成传输方式（串行传输和并行传输）的转换】

物理层设备

中继器

也称转发器，能够接收并识别网络信号，然后再生信号并放大和转发

• 中继器不解释、不改变收到的数字信息，只是将其整形放大后再转发出去（只包含一个输入端口和一个输出端口，因此只能接收和转发数据流），常用于两个网络结点之间物理信号的双向转发工作，并以此扩大通信距离
• 一般情况下中继器两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网，中继器若出现故障则相邻两个网段的工作都将产生影响
• 从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长，但事实上并不可能，因为网络标准中对信号的延迟范围作了具体规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障
• 以太网的“5-4-3规则”，指10M以太网中网络最多5个网段，最多串接4个中继器，且5个网段中只有3个网段可接网络设备（另两个网段只用用来延伸距离），最终构成一个共享式以太网

集线器

英文称“Hub”，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有结点集中在以它为中心的结点上

• 在本质上是一个多端口的中继器，也称为多端口中继器，采用星型网络拓扑，通常连接属于一个工作组的多台计算机
• 由于集线器采取的是“广播”传输信息的方式，因此集线器传送数据时只能工作在半双工状态下
• 在以太网中，集线器通常是支持星形或混合拓扑结构的，在星型结构的网络中，集线器也被称为多址访问单元MAU
• 集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于一个冲突域，这里的冲突域是指连接在同一导线上的所有工作站的集合（或者说是以太网上竞争同一带宽的结点集合）

持续更新中……
我是桐小白，一个摸爬滚打的计算机小白