计算机网络笔记整理（二）

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物理层简介

物理层处于TCP/IP模型中的最底层。它的作用是为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。（说白了就是负责将比特流在物理链路上传输和将信号转换为比特流）物理层是计算机网络的基础，如果没有物理层的实现，计算机网络就无从谈起。

物理层的协议特性

1. 机械特性：指明接口所用的接线器形状、尺寸和引线数目，排列、固定和锁定装置等等。
2. 电气特性：指明在接口线缆上出现的电压的范围。
3. 功能特性：指明某条线缆上出现某一电平的电压有何意义。（用于分辨0和1）
4. 过程特性：指明各种可能事件出现的顺序。

传输媒介

传输媒介是计算机网络中发送方机器和接收方机器之间的物理通路，是实现网络通信的根本。传输媒介分为导引型媒介和非导引型媒介。

导引型媒介

导引型媒介：电磁波沿着固体链路传播。（如：双绞线、光纤等）

下面将介绍常见的三种导引型媒介：双绞线、同轴电缆、光纤。

1.双绞线

双绞线，是一种将两根绝缘铜导线绞合在一起（减少电磁干扰），在室内布线中非常常见的传输媒介。

实现原理

双绞线由四对（一般情况下）相互绞合的绝缘铜导线组成，这种方法可以有效抵消导线之间的电磁干扰和外界的电磁波干扰，使干扰信号一致，便于计算机用差分电路消除干扰信号。

组成结构

UTP双绞线由金属铜导线、绝缘体、撕裂绳、绝缘塑料外皮组成。
STP双绞线基于UTP双绞线的基础，在每对铜导线上加了一层金属屏蔽层，在绝缘塑料外皮下又加了一层金属屏蔽层。

分类

按是否有金属屏蔽层分类：

• 非屏蔽双绞线（UTP）
• 屏蔽双绞线（STP）

使用屏蔽双绞线可以更好地排除干扰。（当然价格也贵 ）

按频率和信噪比分类：

• 一类线（CAT1），频率750kHz，用于安防报警系统和上世纪八十年代的电话系统。
• 二类线（CAT2），频率1MHz，用于电话系统。
• 三类线（CAT3），频率16MHz，最高速率10Mbps，最大线路长度100米。
• 四类线（CAT4），频率20MHz，最高速率16Mbps，最大线路长度100米。
• 五类线（CAT5），频率100MHz，最高速率100Mbps。
• 超五类线（CAT5e），频率100MHz，最高速率100Mbps，支持百兆网络，短距离支持千兆网络。
• 六类线（CAT6），频率250MHz，最高速率1000Mbps，支持千兆网络。
• 七类线（CAT7），频率600MHz，最高速率10Gbps。

注：在生活中，常用的双绞线有超五类线和六类线。在安装网线时，建议网线长度不超过120米，超过120米的线路应该用光纤连接。

线序

双绞线有两种芯线序列：T568A和T568B。

T568A线序：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕。
T568B线序：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕。（从左到右两个一组）

非常重要：双绞线两端的线序务必保持一致！

如何制作一根双绞线？

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2.同轴电缆

同轴电缆是一种电信号（交流电）传输线，可以传输模拟信号和数字信号，一般用于卫星电视的信号传输。

组成结构

同轴电缆从内到外由中心铜线、塑料绝缘体、网状导电层和绝缘外皮组成。

实现原理

同轴电缆实质上是一根电线，如果导体通过高频率电流则会产生无线电。散发在电缆周围的无线电和网状导电层构成回路，同时网状导电层隔离无线电，并通过接地方式控制无线电。

分类

同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

• 基带同轴电缆，阻抗50欧姆，用于传输数字信号。
• 宽带同轴电缆，阻抗75欧姆，一般用于有线电视信号传输。

提醒：在室内布线时，一般使用超五类或六类双绞线代替同轴电缆。现在的电视机顶盒（比如IPTV和小米盒子）大多都已经支持RJ-45接口或WiFi接口。

3.光纤

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，用于传输光脉冲信号，原理是光的全反射。

组成结构

光纤从内到外由纤芯、包层和涂覆层组成。

实现原理：光的全反射

光从光密介质射入光疏介质时（比如从玻璃射向空气），折射角大于入射角，当入射角增大到某一角度时，折射角达到90°，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫全反射。

光纤的分类

光纤按光的传输模式可以分成单模光纤和多模光纤。

• 单模光纤：纤芯很细（8-10微米），只能通过一条光线。传输距离远，不易发生色散，使用激光作为光源，较贵。
• 多模光纤：纤芯较粗，（50微米或62.5微米），能通过多条光线。带宽大，但容易发生色散，传输距离短，使用LED作为光源，较经济。

注：现在家庭光纤的传输带宽均已达到10Gbps以上。

非导引型媒介

非导引型媒介：电磁波在自由空间中传播。

下面介绍两种常见的非导引型媒介：无线电波和微波。（非通信相关职业了解即可）

1.无线电波

电磁波是由方向相同且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波的形式传播的电磁场。在现实中，通信基站将数据转化为电信号，调制波的频率后以高频振荡的方式发出电磁波（能传很远），接收端收到后将其转化为数据，传输完成。

常见的无线电

• 无线局域网（WLAN）
• LTE（运营商网络）
• 蓝牙

常用频段

2.微波

微波指频率为300MHz-300GHz之间的电磁波，具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播的特性。

常用的通信方式

• 地面接力通信：由于微波的传输距离有一定范围，需要在一定范围内建立通讯基站进行信号放大，以便持续传输。
• 卫星信：由于微波具有直线传播的特性，可以使用太空中的卫星作为信号中转点，向地面发送信号。此种方法覆盖范围广，但对地面微波发射装置的功率要求较高，而且速度非常慢，因此普及率较低。

传输方式

按数据传送方式来分

1. 串行传输：介质中有一条信号线路，比特在线路中一个个传输。（速度较慢但距离远）
2. 并行传输：介质中有多条信号线路，比特在多条线路中同时传输。（速度快但距离短）

例如：计算机内总线的传输方式就采用了并行传输，外接设备使用串行传输。

按有无时间间隔来分

1. 同步传输：数据块以稳定的比特流形式传输，没有时间间隔，需要同步时钟信号。
2. 异步传输：以字节为传输单位，前后加上起始位和结束位。字节间时间间隔不定。

按通信的方向来分

1. 单工通信：只能发送数据，单向传输。（例如：广播）
2. 半双工通信：可以发送和接收数据，但不能同时收发数据。（例如：对讲机）
3. 全双工通信：可以同时发送和接收数据。（例如：电话）

信道复用方式

频分多路复用（FDM）

频分多路复用，是为多个用户的通话划分各自的频段，随后将不同频率的信号整合为一个信号，每个用户只能使用指定的频段进行通话的一种信道复用方式。此方式用于电路交换网。

注：为了防止相近频段产生干扰，一般会在两个信道之间空出几个频率，这被称为保护带。

时分多路复用（TDM）

时分多路复用，是指多个通话连接共享一个时间标准，控制端将时间标准除以连接数得出时隙，每个通话连接在时隙内进行通信的一种方式。（用于电路交换网）

例如：一条通信链路内有10个用户连接，时间标准为1秒，那么时隙=时间标准/连接数=1/10=0.1秒，这样第一个用户只能在第0.1秒时通信，第二个用户在0.2秒时通信，以此类推。

码分多路复用（CDM）

码分多路复用，是为每个用户分配固定的链路带宽。用户分配到的带宽与总带宽和时隙有关。

编码与调制

物理层发送数据的过程

众所周知，物理层是不能直接发送图片、音乐和文本等信息的。所有计算机信息在网络上进行传输时，都会被转换成基带信号，由物理层转换为电信号后在传输介质中传送。这个将基带信号转换为电信号的过程被称为编码或者调制。

码元的概念

使用时间域波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

基带信号的分类

基带信号分为数字基带信号和模拟基带信号。数字基带信号通过调制可以转换为模拟基带信号，模拟基带信号通过编码可以转换为数字基带信号。这两种信号经过编码或调制之后分别在数字信道和模拟信道中传输。

注：基带信号不能直接在信道中传输！

1.数字基带信号

数字基带信号使用两到三种不同的电状态（电平）来表示0、1和时钟信号。它的特征是电状态瞬间变化（高电平、低电平、零电平）。计算机内总线的通信采用了此种信号。

信号图如下：

注：高电平为1，低电平为0，零电平为时钟信号。

数字基带信号经过编码之后在数字信道中传输。

不同的编码方式

不归零编码

不归零编码只有高电平和低电平两种电状态，只能传输0和1，无法对码元进行区分。

归零编码

归零编码在不归零编码的基础上增加了零电平，它表示一个码元的结束（即时钟信号）。每个码元结束时，信号都应该变成零电平。缺点是会造成极大的网络资源浪费。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码的原理是一次跳变表示一个时钟信号，正跳变和负跳变表示不同的值。正跳变和负跳变表示的值可以自行定义（0和1）。

差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码的原理是在每一个时钟周期的中间都有一次跳变，跳变表示时钟信号。如果当信号位开始时发生跳变，则码元表示为0；若信号位开始时没有发生跳变，则码元表示1。

2.模拟基带信号

模拟基带信号是以波的形式传输码元，它将原始基带信号在幅度、频率、相位三个参数上进行调制后而出。它的波形会随时间的推移而不断变化。各种无线通信网络采用了该信号。

不同的调制方式

基本调制

基本调制包括调频、调幅、调相三种调制方法。顾名思义，就是分别在频率、幅度、相位三个参数上进行调制。

调频：频率低的部分表示0，频率高的部分表示1。

调幅：无载波输出表示0，有载波输出表示1。

调相：初相位为0度表示0，初相位为180度表示1。

混合调制：QAM-16

正交振幅调制（QAM），是指将相位和振幅结合起来的调制方法。使用QAM-16方法可以调制出16种不同的码元，每个码元对应4个比特，相邻两个码元对应关系采用格雷码方法。

格雷码：在一组数的编码中，任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同。

信道的极限容量

信号失真现象

在实际的信号传输过程中，信号的波形会因为噪声、信道质量、码元传输速率和信号传输距离四种因素而产生变形。有时变形过于严重会导致无法识别。

码间串扰：一种信号失真的现象，表现为因为振动频率过快导致波形失去了码元之间的界限，接收端无法识别。

奈氏准则

奈氏准则的定义：在假定理想条件（带宽受限无噪声）下，为了避免码间串扰，信道中码元的传输速率有上限。

根据奈氏准则可以得出：

1. 在所有信道里，码元传输速率有上限。超过上限就会发生码间串扰。
2. 信道频带加宽，码元传输速率就可以提高。

虽然奈氏准则限制了码元传输速率，但是一个码元可以携带多个比特。若想提高数据传输效率，就要使用多元制的调制方法，比如QAM-16。

相关计算公式

理想低通信道的最高码元传输速率：2W Baud，带通信道为：W Baud。

理想低通信道的极限数据传输率：
$$res=2\ast W\ast {\log }_{2}V$$

其中，W代表信道带宽，单位为Hz；Baud代表码元传输速率，单位为bit/s；V表示采用的调制技术最多可以携带的码元数量，例如QAM-16调制技术有16种不同的码元，每个码元对应4个比特，所以V=16。

来看一道例题

题目：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3700Hz，采用QAM-16调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？

解：
∵ QAM-16调制技术有16种码元;
∴ V=16，log₂V=4(bit);
∵ W=3700(Hz);
又∵ res=2∗W∗log2​V
∴ 极限数据传输率=2*3700*4=29600(bit/s);

香农公式

香农公式给出了在被高斯白噪声干扰的信道中，最大信息传送速率C的值。

公式如下：$$C=W\ast {\log }_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$$

其中$\frac{s}{n}$为信噪比，即信号平均功率÷高斯噪声功率。
如果题目中给你的信噪比以分贝（dB）作为单位，那么可以通过解方程求出$\frac{s}{n}$的值：$$dBvalue=10\ast \log 10\left(\frac{S}{N}\right)$$

该公式还指出：

• 如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。
• 如果R>C，则没有任何办法传递这样的信息。

下面来看一道例题：

题目：若一条信道宽度为3000Hz，信噪比为30dB，则该信道最大数据传输速率是多少?

解：
∵ 信噪比为30dB;
又∵ dBvalue=10∗log10(S/N​);
∴ 可得方程30=10*log10(S/N),解得S/N=1000;
∵ W=3000Hz;
又∵ C=W∗log2​(1+S/N​);
∴ C=30kb/s;