计算机网路之物理层笔记

计网之物理层

主要知识：

1. 通信基础
2. 两个公式 lim
3. 看图说话
4. 传输介质
5. 物理层设备

1、物理层的基本概念

（1）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。

（2）物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 ——> 定义标准

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。
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：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

（3）举例：

• 某网络在物理层规定，信号的电平用+10V_{+15V表示二进制0，用-10V}-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内。（电气特性）

• 描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时（功能特性）

2、数据通信基础知识

2.1、典型的数据通信模型

2.2、数据通信的相关术语

通信的目的是传送信息。

• 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，因此一条通信路线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）
  • 按传输介质分：无线信道、有线信道

2.3、三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1. 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。
2. 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。
3. 全双工通信 通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

俗话记法：

温馨提示：自行使用，理解记住！

• 单工通信：就是一个只愿打，一个只愿被打；
• 半双工通信：回合制卡牌游戏；
• 全双工通信：同时互殴；

2.4、两种数据传输方式

传输方式：

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输：速度快，费用高，适合短距离 适合于计算机内部数据的数据传输
  

3、码元、波特、速率、带宽

3.1、码元

码元：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A个时（A大于2），此时码元为A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2种不同的码元，一种代表0状态，；另一种代表1状态；

# 附加知识点：
1. 码元宽度等于码元传输速率的倒数。码元速率影响信息速率。码元速率与信号的进制数无关，只与码元宽度有关。

2. 在数字通信中常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。值得注意的是当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个） 时，此时码元为M进制码元。

3.2、速率、波特、带宽

【1】速率：也叫数据率，是指数据的传输（发送）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。

1）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（也可以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。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。

问法：1秒传输多少个码元？

2）信息传输速率：别名信息速率、比特率等。它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）。

问法：1秒传输多少个比特？

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。

1. 码元传输速率——针对的是码元个数，单位是波特（码元/秒）
2. 信息传输速率——针对的是码元中的比特个数，单位是比特/秒

【2】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"，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.

温馨提示：前面的小文章有带宽的浅析！

3.3、练习题

温馨提示：建议先不看答案，做几遍！

​ 某一数字通信系统A传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，求系统A的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？若另一数字通信系统B传输的是十六进制码元，6s传输了7200个码元，求系统B的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快？

答：温馨提示：log（以2为底的对数）使用与图片中的序号4相呼应！

(1)四进制码元系统
码元传输速率：8000/4 = 2000Baud；信息传输速率：2000 × log2 4 = 4000b/s

十六进制码元系统
(2)码元传输速率：7200/6 = 1200Baud；信息传输速率：1200 × log2 16 = 4800 bit/s

(3)十六进制系统（系统B）更快。
理由：系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率。

4、奈氏准则、香农定理

4.1、失真

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输速率
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

1. 码元传输速率越快、信号传输速率越快、噪声干扰越大，失真程度越大；
2. 传输媒体质量越高，失真程度越小；

4.2、码间串扰

信道带宽是信道通过的最高频率和最低频率之差。

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。

# 码间串扰
就好比：你做在大商场门旁，数着通过这个门的人，如果处于高峰期，且人的入门速度很快，10m/s,为了数人数你的眼睛也会受不了，也就是说原本清晰可数的人，由于速度过快等原因，人之间失去清晰界限，你也数不过来，太难了！

4.3、奈氏准则

（1）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。

# 举个例子
1. 一群同学在教室上马老师的课，一部分同学A听不下去便在说闲话，另一部分同学专心地听马老师讲课。对于同学B来说，同学A的闲话声就是噪声，但是马老师的声音要是大过同学A的闲话声，就相对减少了对同学A的影响。

_{为了混淆大家，试题会再求一步极限数据传输率吧} 真狡猾！

理想低通信道下的极限数据传输率 = 2W log2 V（b/s） `只有在这两个公式这带宽才用Hz!`

W：带宽（Hz）；	V：有几种码元/码元的离散电平数目

（2）奈氏准则的浅析：

1. 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。
2. 信道的频道越宽（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。
3. 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了限制。
4. 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。

（3）练习题

例如：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，每个相位是有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多少？

解：（信号有：4 × 4 = 16 种变化）

最大数据传输速率：2 × 3k × 4 = 24kb/s

4.4、香农定理

（1）噪声存在于所有的电子设备和通信道路中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

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

• 信噪比（dB）= 10lg(S/N) 数值等价
• 信噪比（dB）= 10log10(S/N)

（3）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。

信道的极限数据传输速率 = Wlog2 (1+S/N)（b/s）

W：带宽；S/N：信噪比；  S：信道所传信号的平均功率；  N是信道内的高斯噪声功率；

（4）香农定理的浅析：

1. 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；
2. 对于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；
3. 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；
4. 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；
5. 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。

（5）练习题

电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？

解：30dB = 10lg(S/N) lg即以10为底的对数

则S/N = 1000

即信道的极限数据传输速率 = Wlog2 (1+S/N) = 3000 × log2(1+1000) ≈ 30kb/s

4.5、“Nice” 和 "香浓"的浅较

题目：二进制信号在信噪比为127：1的4kHz信道上传输，最大的数据传输速率可达到多少？
解：
奈氏：2 × 4000 × log22 = 8000b/s

香农：4000 × log2(1+127) = 28000b/s

答：两者之间取较小的，最大的数据传输速率可达到8000b/s。

5、编码&调制

5.1、基带信号与宽带信号

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息和一条接收信息。

信道上传送的信号：

• 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不用的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号。比如我们说话的声波就是基带信号。
• 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）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
  

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）；

5.2、编码与调制

5.3、数字数据编码为数字信号

温馨提示：以下有点难度，建议细看！

编码方式：

（1）非归零编码【NRZ】

（2）曼切斯特编码

（3）差分曼切斯特编码

（4）归零编码【RZ】

（5）反向不归零编码【NRZI】

（6）4B/5B编码

（1）非归零编码【NRZ】

• 高1低0
• 编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

（4）归零编码【RZ】

• 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码的方式。

（5）反向不归零编码【NRZI】

• 信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

小黄：猫爷，这反向不归零编码图有点难诶，怎么理解啊？
猫爷：图中的二进制码为10011010，对应的波形你也看到了，第一个电平为1。从第二个电平看起，由于第二位要发送0，信号电平要翻转，则从1跳为0；第三位要发送0，信号电平要翻转，则从0跳到1；第四位要发送1，信号电平不要，则依然为1；以此类推。
小黄：嘿嘿，明白辽，还是猫爷懂得多！

（2）曼切斯特编码

• 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0则正好相反。（也可以采用相反的规定。）该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。
• 每个码元都被调成两个电平，所以信息传输速率只有调制速率（码元传输速率）的1/2。

（3）差分曼切斯特编码

• 同1异0
• 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，且抗干扰性强于曼切斯特编码。

（6）4B/5B编码

• 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特流来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
• 只采用16种对应16种不同的4位码，其它的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留。
  

5.4、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。

还有：调幅+调相（QAM）

小黄：猫爷，这调相虽在高中数学、物理有接触，但我还是不太明白，可能是我不太聪明诶？
猫爷：f(x) = Asin(wx+m)
	图中的ASK调幅：0位时，没有幅度；1位时，有幅度；
	图中的FSK调频：0位时，频率较低；1位时，频率较高；(看波形的疏密)
	图中的PSK调相：0位时是一种波形，1位时是另一种波形；
	调幅+调相(QAM):调幅+调相结合调制；
小黄：嘿嘿，有点明白辽，我再琢磨巩固下！	

练习题

某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少？

解：
（采用4种相位，每个相位有4种振幅，则调出4 × 4 = 16种波形，对应有16种码元；也就是16进制，需要log2 16 = 4bit来表示一个码元，所以该链路的信息传输速率是1200 × 4 = 4800 bit/s）

4 × 4 = 16 种波形（码元)
log2 16 = 4 bit
1200 × 4 = 4800 bit/s

5.5、模拟数据编码为数字信号

（1）计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。

（2）最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛应用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f采样频率 >= 2f信号最高频率
2. 量化：把抽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，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
   

5.6、模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式：模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

5.7、总结时间

6、物理层传输介质

6.1、传输介质及分类

（1）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。

（2）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，因此有时称为传输媒体为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。

若是物理层是傻子，传输媒体连傻子都不如!

（3）传输介质：

• 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。
• 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

6.2、导向性传输介质——双绞线

（1）双绞线是古老又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

（2）为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）,无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）。

（3）双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

6.3、导向性传输介质——同轴电缆

（1）同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

（2）同轴电缆VS双绞线

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛应用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

6.4、导向性传输介质——光纤

（1）光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无关脉冲表示0。而可见光的频率大约就是10的8次幂MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤在发送端有光源，可以采用发光二级管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可以还原出电脉冲。

（2）光纤主要由纤芯（实心的）和包层构成，光波通过纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

（3）光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和抗电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

6.5、非导向性传输介质

（1）非导向性传输介质：

• 无线电波：

  • 信号向所有方向传播；
  • 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）；

• 微波：
  

• 红外线、激光：

  • 信号向固定方向传播；
  • 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播；

6.6、总结时间

7、物理层设备

7.1、中继器

（1）中继器的诞生原因：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。

（2）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。

（3）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。中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
• 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
• 中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发，傻！）

（4）5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

7.2、集线器（多口中继器）

（1）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，接着转发到其它所有（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。

8、物理层总结