学习笔记之计算机网络（王道考研） 第二章 物理层

• 模拟数据（模拟信号）和离散数据（离散信号）
• 串行传输和并行传输
• 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上去传输（称为基带传输）
• 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，然后传送到模拟信道上去传输（称为宽带传输）
• 单工通信（仅需一条信道）、半双工通信（需两条信道）、双工通信（需两条信道）
• 码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为信号变化的次数），单位是波特（Baud），码元速率与进制数无关
• 信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位是比特/秒（b/s）
• 奈奎斯特定理：在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W Baud。其中，W是信道的带宽，单位为Hz。若用V表示不同形式码元的个数，则极限数据率公式为： 理想低通信道下的极限数据传输率 =  2Wlog2(V)，单位为b/s
• 香农定理：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率。计算公式为： 信道的极限数据传输速率=Wlog2（1 + S/N）。其中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率，S/N为信噪比，信噪比=10log10（S/N）
• 把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码
• 数字数据编码为数字信号：

1. 非归零码（NRZ），用低电平表示0，高电平表示1，或反之
2. 曼彻斯特编码，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相反。以太网使用的编码方式为曼彻斯特编码
3. 差分曼彻斯特编码，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；若码元为0则相反。在码元中间也有电平跳转
4. 4B/5B编码，将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应的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

• 数字数据调制为模拟信号：

1. 幅移键控（ASK），通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0
2. 频移键控（FSK），通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0
3. 相移键控（PSK），通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0
4. 正交振幅调制（QAM），在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。

• 模拟数据编码为数字信号：主要包括三个步骤，抽样、量化和编码
• 采样定理（奈奎斯特定理）：假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f（采样）必须大于或等于最大频率f的两倍
• 模拟数据调制成模拟信号：频分（FDM）复用技术
• 电路交换：在进行数据传输前，两个节点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该线路在整个数据传输期间一直被独占，知道通信结束后才被释放
• 电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放
• 当电路建立后，除了源节点和目的节点，电路上的任何节点都采取“直通式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间
• 报文交换：数据交换的单位是报文，报文携带目标地址、源地址等信息。报文交换在交换节点采用的是存储转发的传输方式
• 分组交换：也采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。
• 分组交换的两种方式：数据报和虚电路。这两种方式都由网络层提供
• 数据报：网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性；收发双方不独占某一链路，资源利用率较高
• 虚电路：将数据报方式和电路交换方式结合。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，虚电路所对应的物理路径也就固定了；虚电路号；
• 在虚电路建立后，主机可以相互传输消息，双向进行。并且两个主机之间只需建立一次虚电路
• 虚电路中，分组首部不包含目的地址，而是包含虚电路标识符。虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，每个节点到其他节点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，它也可能同时与多个节点之间具有虚电路
• 两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用虚电路号
路由选择	每个分组独立进行路由选择和转发	属于同一虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证分组有序到达	保证分组有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由上层保证	可以保证可靠性
对网络故障的适应性	出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输	所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	由高层进行流量控制和差错处理	可由网络负责

• 双绞线绞合的作用：减少对相邻导线的电磁干扰
• 使用双绞线通信，距离太远时，对于模拟传输，需要用放大镜放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形
• 同轴电缆：基带同轴电缆（50欧）和宽带同轴电缆（75欧）
• 光纤：多模光纤的光源为发光二极管，单模光纤的光源为激光二极管
• 无线传输介质：无线电波、微波、激光和红外线
• 物理层接口的特性：

1. 机械特性。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等
2. 电气特性。规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、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的电压表示何种意义，接口部件的信号数（数据线、控制线、定时线等）的用途
4. 规程特性。定义各条物理线路的工作规程和时序关系

• 常用的物理层接口标准有：EIARS-232-C、ADSL和SONET/SDH等
• 中继器，又称为转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，其原理是信号再生（不是简单的将衰减的信号放大）。
• 中继器是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单最廉价的互联设备。使用中继器连接起来的几个网段仍然是一个局域网。由于中继器工作在物理层，所以它不能连接两个具有不同速率的局域网。中继器两端的网络部分是网段，而不是子网
• “5-4-3”规则：互相串联的中继器个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3个段可以挂接计算机，其余两个段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机
• 放大器和中继器都是起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大；而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生
• 如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为该设备可以连接两个不同的协议
• 集线器（Hub）实际上是一个多端口的中继器，也工作在物理层。集线器会将整形再生后的信号转发到其他所有（除输入端口以外）处于工作状态的端口上。如果同时有两个或多个端口输入，则输出时发生冲突。
• 由Hub组成的网络为共享式网络；Hub每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段；Hub只能在半双工下工作；Hub不能分隔冲突域，所有集线器端口都属于同一个冲突域
• 两个网段在物理层进行互联时要求：数据传输率要相同，但数据链路层协议可以不同。解析：数据传输率不同，可能导致数据溢出或数据传输低效率的情况；若只需要两个网段在物理层可以互联成功， 则表明两个网段之间可以互相传送物理层信号，并不需要保证有相同的数据链路层协议，但此时不可以互相传送数据链路层的帧！！！