物理层
通信基础
概念
模拟信号，连续变化的数据或信号
数字信号，离散的
码元，用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位特质数字，代表不同离散数值的基本【波形】
数据：传送信息的实体
信号：数据的电气或电磁表现
码元：指用一个固定时长的信号波形表示一位K进制数字，代表不同离散数值的基本波形
通信主体
信源：产生和发送数据的源头
信道：信号传输媒介
信宿：接送数据的终点
交互方式
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，例如：无线电广播、电视广播
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信息，此时需要两条信道。例如：对讲机
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。信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。例如：电话
奈奎斯特定理和香农定理
奈奎斯特定理
规定：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的贷款，V表示每个码元离散电平的数目
公式：理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V（单位为b/s）
结论：
在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确识别码元
道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可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，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制
香农定理
规定：香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差
公式：
可以得出：新到的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限速率传输速率越高
对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
只要信息速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输
香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
编码与调制
调制
数据变化为模拟信号的过程
编码
数据变换为数字信号的过程
数字数据编码为数字信号
非归零编码【NRZ】
非归零反向编码【NRZI】
曼切斯特编码
差分曼切斯特编码
数字数据调制为模拟信号
幅移键控（ASK）调幅
频移键控（FSK）调频
相移键控（PSK）调相
正交振幅调制（QAM）
模拟数据编码为数字信号
模拟数据编码为数字信号：主要包括是三个步骤，即采样、量化和编码
采样定理（奈奎斯特定理）：将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f采样必须大于等于最大频率f的两倍，才能够保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
量化：量化是把采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，这样就可以吧连续的电平幅值转换为了离散的数字量
编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
电路交换、报文交换与分组交换
电路交换
电路交换两个结点之间必须先简历一条专用的物理通信路径，知道通信结束后才被释放
分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放
优点：
通信时延小，由于通信线路为通信双方用户专用，因此传输数据的时延非常小，当数据的数据量较大时，这一优点非常明显
有序传输，双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问
没有冲突，不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现征用物理信道的问题
适用范围广，电路交换即适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号
实时性强，通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信
控制简单，电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单
缺点：
建立连接时间长；线路独占，使用效率低；灵活性差；难以规格化
报文交换
概念：数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、原地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式
优点：无需建立连接，报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可以随时发送报文
动态分配线路，当发送方把保温交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择条合适的空闲线路，将报文发送出去
提高线路可靠性，如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性。
提高线路利用率，通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段得部分占有这条物理通道，因而大大提高了通信线路的利用率
缺点：数据进入交换结点后要经历存储、转发这一个过程，因此会引起转发时延
报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间
分组交换：
概念：同报文交换一样，分组转发也采用存储转发的方式，但限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块
优点：简化了存储管理（相对于报文交换）
减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错概率必然减少，即使出错重发的数据量也大大减少
缺点：需要传输额外的信息量，每个小数据块都要加上原地址、目的地址和分组编号等信息，从而构成分组，一定程度上降低了通信效率
当分组交换采用数据包服务时，可能会出现失序、丢失或重新分组，分组到达目的节点时，要对分组按编号进行排序等工作
分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可以进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式
数据包与虚电路
数据报：在网络层上加上地址等控制信息后形成的数据报分组，在中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点
不需要建立连接
不保证可靠性
需要排队等候处理
对故障的适应能力强
不独占某条链路
虚电路：虚电路方式将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的有点，以达到最佳的数据交换效果
在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为是哪个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放
建立和拆除需要时间开销
提供了可靠的通信功能
虚电路易遭到破坏
分组首部只包含虚电路标识符
传输介质（简单了解）
双绞线
屏蔽双绞线
无屏蔽双绞线
同轴电缆
基带同轴电缆
宽带同轴电缆
光纤
单模光纤
多模光纤
无线传输介质
无线电波
微波、红外线和激光
主要任务
物理层考虑
物理层不指具体的传输媒体
物理层接口特性
机械特性
定义物理连接的边结点，即接插装置
规定规格、引线的数目、引脚的数量和排列等
电气特性（量）
规定传输二进制位，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
功能特性
指明某条线上出现的某一电平的电压表示何【意义】，接口部件的信号线（数据线、控制线）的【用途】
规程特性（过程特性）
定义各物理线路的工作规程和时序关系
物理层设备
中继器（转发器）
中继器：将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长时间电缆后而产生的失真和衰减，是信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离
其原理是信号再生（而非简单得将衰减的信号再放大）
集线器（Hub）
集线器（Hub）实质就是一个多端口的中继器；如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时就会发生冲突，致使这些数据都无效
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