计算机网络Day_02（物理层）

物理层

基本概念：

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。

主要任务：

确定与传输媒体接口有关的一些特性→定义标准

物理层定义了哪些特性呢？

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。例如（某网络物理层规定，信号的电平用10V~15V表示二进制0，用-10~-15V表示二进制1，电线长度限于15m内）

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。

数据通信基础知识：

数据通信相关术语：

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/电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。分为下面两种：

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。一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种通信方式：

1.单工通信：仅需一条信道。

2.半双工通信：通信双方都可以发送和接收信息，但任何一方在某时刻只能发送或接收。

3.全双工通信：双方可以同时发送和接收信息。

两种数据传输方式：

1.串行传输 2.并行传输

一些重要的概念：

码元：

码元是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元，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M个时，此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。

速率：

也叫数据率，是指数据的传输速率，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。

码元传输速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud），1波特代表数字通信系统每秒传输一个码元。码元速率与进制数无关。

信息传输速率：单位时间内传输的比特数。

那么问题来了，如何判断一个码元携带多少比特呢？

以四进制码元为例，其有四种离散的状态，因此需要两组01的组合才能表示出来（00，01，10，11），因此四进制码元携带2个比特，以此类推，八进制码元有3个比特。

PS：通常情况下，比较两个数字通信系统传输速率，比较的是信息传输速率。

失真：

失真的一种现象：码间串扰

码元传输速度过快，接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则：

在理想低通条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2WBaud，W是信道带宽，单位是Hz（只有在奈氏准则和香农定理中带宽的单位才是Hz）。

则极限数据传输率为。

由此看出：

1.码元传输速率有上限

2.带宽越大，就可以用更高的速率进行有效传输

3.奈氏准则限制了码元速率，但没有限制信息传输速率，因此要提高数据的传输速率，可以让每个码元携带更多的信息量，则多元制码元。

香农定理：

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误，但噪声的影响是相对的，若信号较强，则噪声影响相对较小，因此信噪比很重要。

信噪比（dB）=

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= 

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

编码与调制：

信道上传送的信号有两种：

1.基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号。例如来自信源的信号，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。

2.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。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。

图示四种编码、调制方法的详解：

1.数字数据→数字信号：

①非归零编码（高1低0）：容易实现，但不能检错，也难以保持同步。

②归零编码：在每个码元内都要恢复为0，缺点是长期处于低电平状态，信道利用率低。

③反向不归零编码：在0的地方反向，对于全1的数据，缺点和非归零编码一样。

④曼彻斯特编码：每个码元内都会跳变。这个跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。

⑤差分曼彻斯特编码：同1异0，若1，则码元的前半段与前一个码元的后半段相同，抗干扰性强于曼彻斯特编码。

⑥4B/5B编码：用5个比特来编码4个比特的数据，编码效率为80%。

2.数字数据→模拟信号：

3.模拟数据→数字信号

计算机内部处理二进制数据，处理的都是数字音频，所有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。最典型的就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），这是计算机应用中最高保真水平的编码。

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。为了使所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：

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。

编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

4.模拟数据→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。

物理层传输介质：

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。

注意：传输介质并不是物理层，它在物理层的下面，有时候称其为第0层。

传输介质分为导向性传输介质、非导向性传输介质：前者意味着电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播，后者意味着空间是自由的，介质可以是空气、海水等。

常见的导向性传输介质：双铰线、同轴电缆、光纤

常见的非导向性传输介质：无线电波、微波、红外线、激光

物理层设备：

中继器：

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。

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。

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，否则会发生网络故障。说白了一段网络中的物理层设备不能太多，要遵循5-4-3原则（5个网段、4个物理层设备、3个网段可以挂计算机），如下图所示。

集线器（多口中继器）：

把信号进行再生放大，转发到多个处于工作状态的端口上。