王道考研计算机网络笔记第二章：物理层

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-12-24 15:53 145阅读 0赞

> 本文基于`2019 王道考研 计算机网络`: [2019 王道考研 计算机网络][2019 _]  
> **个人笔记总结**  
> **第一章**：[王道考研 计算机网络笔记 第一章：概述&计算机网络体系结构][Link 1]  
> 后续章节将陆续更新…

### 第二章 ###

*  一、物理层基本概念
 *  二、数据通信知识
 *   *  1. 典型的数据通信模型
     *  2. 数据通信相关术语
     *   *  1. 数据、信号、信源、信宿、信道
         *  2. 码元、波特、速率、带宽
     *  3. 三种通信方式
     *  4. 两种数据传输方式
     *  5. 编码与调制
     *   *  1. 数字数据编码为数字信号
         *   *  1. 非归零编码\[NRZ\]
             *  2. 归零编码\[RZ\]
             *  3. 反向不归零编码\[NRZI\]
             *  4. 曼彻斯特编码
             *  5. 差分曼彻斯特编码
             *  6. 4B/5B编码
         *  2. 数字数据调制为模拟信号
         *  3. 模拟数据编码为数字信号
         *  4. 模拟数据调制为模拟信号
 *  三、奈氏准则和香农定理
 *   *  1. 奈氏准则（奈奎斯特定理）
     *  2. 香农定理
     *  3. 区别
 *  四、物理层传输介质
 *   *  1. 导向型传输介质
     *   *  1. 双绞线
         *  2. 同轴电缆
         *  3. 光纤
     *  2. 非导向性传输介质
 *  五、物理层设备
 *   *  1. 中继器
     *  2. 集线器（多口中继器）

> **第二章大纲**：
> 
> ![image-20201129133132321][]

# 一、物理层基本概念 #

> 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

*  这里的传输媒体就是指数据传输过程中需要经过的介质，比如光纤，电缆，同轴电缆，双绞线，无线等
 *  `传输数据比特流`是物理层的主要任务，而不管传输媒体是哪个厂家的，用的什么介质等具体细节，只需要管**本层次的内容**以及与下面**传输媒体的接口**
 *  所以也称`传输媒体`是参考模型中的第0层，与物理层区分开来

**主要任务**：

> 确定与传输媒体接口有关的一些特性

*  也就是定义标准。尽管传输媒体可能不同，但是在物理层规定的标准下，能够进行相互之间的连接

![image-20201127104326391][]

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# 二、数据通信知识 #

## 1. 典型的数据通信模型 ##

![image-20201127104914900][]

## 2. 数据通信相关术语 ##

### 1. 数据、信号、信源、信宿、信道 ###

**通信的目的**是为了传送`消息`  
![image-20201127110423627][]

> **消息**

`消息`就是对人们有用的信息，比如视频、图片、音频等

> **数据**

传送消息的实体叫做`数据`，通常是有意义的符号序列；

*  比如发送端给接受端发送文字信息，首先要将文字信息转换为计算机可以识别的语言，进而再转换成信号的方式传输到链路上面，`数据`就是将文字信息转换成的计算机可以识别的语言，也就是0101比特流序列

> **信号**

数据的电气/电磁表现叫做`信号`，是数据在传输过程中的**存在形式**；

*  当文字信息转换为数据（0101的比特流序列）后，需要通过信号的形式存在于链路上进行传输；比如上图首先将计算机中0101的比特流序列转换为`数字信号`传输，然后通过调制解调器将数字信号转换为`模拟信号`再传输

信号分为两种：

1.  **数字信号**：代表消息的参数取值离散
2.  **模拟信号**：代表消息的参数取值连续

> **信源**

产生和发送数据的源头，比如计算机以及其他的终端系统

> **信宿**

接收目的的终点，也就是目的站

> **信道**

信号的传输媒介，逻辑上的一种通信线路

*  一般用来表示某个方向传送信息的介质
 *  一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道

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### 2. 码元、波特、速率、带宽 ###

> **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

*  `码元`是数字通信中数字信号的计量单位
 *  这个固定的时长称为`码元宽度`
 *  码元中的离散状态个数有m个，就称该码元为`m进制码元`
 *  **一个码元可以携带多个比特的信息量**；例如二进制码元一个码元携带2个比特，m进制码元一个码元携带m个比特

例如：

*  `二进制码元`：有两种离散状态，只有两种码元；0状态（可以用0V来表示），1状态（可以用+5V来表示）
    
    ![image-20201128170131316][]
 *  `四进制码元`：有四种离散状态，有四种码元；
    
    ![image-20201128170546841][]

> **速率、带宽、波特**

`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。

*  这列的`传输速率`也叫做`发送速率`，指的是将该数据从主机发送到链路上的速度
 *  注意！！！不是`传播速率`，传播速率指的是数据转换为信号后，以电磁波/光波为载体在整个信道上传播的速度

数据率的**两种表示**：

**1、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（脉冲个数/信号变化次数）
 *  别名：码元速率、波形速率、调制速率、符号速率
 *  单位：波特（Baud），1 Baud = 1 码元 /s
 *  这里的码元可以是二进制或者多进制，但码元速率和进制数无关

**2、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：比特/秒（bit/s）

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\*nbit/s

> **带宽**

表示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：**bit/s**

例题：  
![image-20201128184211771][]

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## 3. 三种通信方式 ##

> 通信方式确定了谁是发送方，谁是接收方，以及是否可以同时作为发送方

![image-20201127110740166][]

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## 4. 两种数据传输方式 ##

> 上述的通信方式是在确定两个设备谁是发送方，谁是接收方，以及是否可以同时作为发送方；
> 
> 这里的传输方式就是确定发送方发送数据的时候有几种传输方式

![image-20201127111055291][]

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## 5. 编码与调制 ##

![image-20201129005826866][]

> **数据的编码以及信号调制**：
> 
>  *  比如收音机FM109.7，这里的FM就是一种调制手法

**预备知识**：  
![image-20201128221819462][]  
**编码与调制**：  
![image-20201128222015069][]

### 1. 数字数据编码为数字信号 ###

![image-20201128222411504][]

#### 1. 非归零编码\[NRZ\] ####

> **高1低0**

![image-20201128222517351][]

*  非归零编码容易实现，但是没有检错功能，并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
 *  同步：加入发送端发送连续的1或连续的0，接收方就会收到一长条的直线，无法分辨有多少个1，多少个0；所以需要发送端和接受端之间再建立一条信道，用于传输时钟周期信号，来表示按什么速度或者多久发送/接收一个bit，建立一个同步的过程
 *  实际过程中，建立同步的过程比较困难，所以非归零编码很少使用

#### 2. 归零编码\[RZ\] ####

> **信号电平在一个码元之内都要恢复到0的编码方式**

![image-20201128223243188][]

*  整个传输过程中，处于低电平的时间很久，浪费了信道资源，很少使用

#### 3. 反向不归零编码\[NRZI\] ####

> **信号电平反转表示0，信号电平不变表示1**

![image-20201128223742553][]

*  如果发送全0的数据，则信号的电平会一直翻转，此时接受端很好接收；但如果发送端发送的数据为全1，那么信号是一条直线，发送端不知道接收了多少个1；所以同非归零编码一样，需要一个用于同步的信道
 *  和归零编码的主要区别：同非归零编码一样，在一个码元内不会发生跳变；而归零编码在一个码元内会发生跳变

#### 4. 曼彻斯特编码 ####

> **综合上述三种编码的优缺点，形成了曼彻斯特编码**
> 
>  *  它可将时钟信号和数据信号放在一块，不需要有额外的同步信道来传送始时钟信号，就可以实现自己本身的一种同步——`自同步`

![image-20201128230215867][]

**定义**：

*  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；反过来表示码元0；也可相反规定

**特点**：

*  每一个码元的中间出现电平跳变，该跳变即可作为时钟信号（接收方每次都可以检测到这个跳变，就知道发送方发送了一个码元），也可作为数据信号（根据跳变两边的值判断为1/0）
 *  所占频带的宽度使原始基带宽度的两倍，每一个码元都被调成高低两个电平，所以**数据传输速率只有调制速率的1/2**
    
    解释：数据传输速率也可表示为单位时间内传输的脉冲个数/信号变化次数，曼彻斯特编码比较特殊，它在一个时钟周期内信号变化两次，一次是开始(从上一个状态到当前状态)，一次是中间；所以在一个时钟周期内，信号变化了两次，但是只传送了一个码元；所以数据传输速率只有调制速率的1/2

#### 5. 差分曼彻斯特编码 ####

> **同1异0**
> 
>  *  如果码元为**1**，则前半个码元的电平和上一个码元的后半个码元的电平**相同**
>  *  如果码元为**0**，则前半个码元的电平和上一个码元的后半个码元的电平**相反**

![image-20201128233833004][]

*  常用于局域网传输
 *  特点：在每个码元的中间，都有一次电平跳转，可以实现自同步，且抗干扰能力强于曼彻斯特编码

#### 6. 4B/5B编码 ####

> 比特流中插入额外的比特以来打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码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%**

![image-20201129001013174][]

### 2. 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，而在接受端将模拟信号还原为数据信号，分别对应于调制解调器的调制和解调的过程

`ASK`：调幅，0没有振幅，1有振幅

`FSK`：调频，0低频，1高频

`PSK`：调相，0对应一种波形，1对应另一种波形（分别对应正弦波和余弦波）

`QAM`：调幅+调相

![image-20201129002254745][]

### 3. 模拟数据编码为数字信号 ###

> 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）

![image-20201129004950042][]

### 4. 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。

![image-20201129005739026][]

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![image-20201128221819462][]

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# 三、奈氏准则和香农定理 #

> 首先了解一下`失真`
> 
> ![image-20201128184659360][]
> 
> 再来看看**失真的一种现象**——`码间串扰`
> 
>  *  200HZ信号震动的频率太低了，所以在电话线传播的过程中，非常容易受到衰减，受倒损耗，因此不能通过
>  *  4000HZ就是码间串扰的问题，信号震动频率太快，接受端在接收的时候区分不出来波形之间的差异
> 
> ![image-20201128185410024][]

为了解决码间串扰的问题，就出现了`奈氏准则`

## 1. 奈氏准则（奈奎斯特定理） ##

`奈氏准则`：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间干扰，限制**极限码元传输速率**为`2W` Baud

*  W是信道的`带宽`，单位是HZ（**注意！只有在这两个公式中带宽的单位才为HZ**）

![image-20201128190201595][]  
例题：  
![image-20201128190309992][]

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## 2. 香农定理 ##

> 奈氏准则只是规定了最高的极限码元传输速率，但是没有规定最高的信息传输速率，也就是最大的比特传输速率，`香农定理`就是来解决这个问题的；它不仅规定了在信道中传输的比特极限传输速率，同时考虑了信道中噪声的影响
> 
> ![image-20201128191111319][]

`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  
![image-20201128191303902][]  
例题：  
![image-20201128191328641][]

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## 3. 区别 ##

![image-20201128191709432][]

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# 四、物理层传输介质 #

> `传输介质`也称为`传输媒体`/`传输媒介`，它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**
> 
> ![image-20201129130733229][]

注意：

1.  **与信道的区别**：信道是一种逻辑通路，传输介质是实实在在的物理通路
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，因此有时称传输媒体是第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，因此能够识别所传输的比特流
    
    ![image-20201129124010514][]

**传输介质的分类**：  
![image-20201129124252287][]

## 1. 导向型传输介质 ##

### 1. 双绞线 ###

![image-20201129124518774][]

### 2. 同轴电缆 ###

![image-20201129124712000][]

### 3. 光纤 ###

**简介**：

![image-20201129124913287][]  
**光纤的分类**：  
![db7f23a34b2e63cd612fb3cc4e0932ed.png][]  
**图片**：  
![image-20201129125223583][]

*  光纤的直径很小，为了不让其在传输过程中不被损耗弄坏，就将一条/多条光纤捆在一起，再添加一些填充物等形成抗压很强的光缆

**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

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## 2. 非导向性传输介质 ##

![image-20201129130603457][]

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# 五、物理层设备 #

## 1. 中继器 ##

![image-20201129131752315][]

`5`：最多不超过5个网段，每个中继器两端连接两个网段

`4`：在这5个网段内，最多有四个物理层的网络设备（中继器/集线器）

`3`：只有三个网段能挂接计算机

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## 2. 集线器（多口中继器） ##

![image-20201129132154397][]

[2019 _]: https://www.bilibili.com/video/BV19E411D78Q?p=12
[Link 1]: https://bareth.blog.csdn.net/article/details/110225464
[image-20201129133132321]: /images/20221120/b06e2802a86746b3b061352d280074f0.png
[image-20201127104326391]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/9d38d42a9231b3d31c07d4d3cca088a5.png
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[image-20201127110423627]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/95a1c756f53041d78c6461d4cf0c3b6a.png
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[image-20201128184659360]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7a1cce0a52c8b0e33f5a93a44cf5d8b5.png
[image-20201128185410024]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/ad43950c85d453fce45274a2a2b828d1.png
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[image-20201128190309992]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/bca7cace76da2f972af61f3e090f5ef0.png
[image-20201128191111319]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/3c99988cde7b9021c5711d875e9b81af.png
[image-20201128191303902]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/da7959bfbe64fd742747532499c05d95.png
[image-20201128191328641]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c08158bb5bdbdbc2832f01a94d791f88.png
[image-20201128191709432]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/e7c4adc49b1491c7e4dc9f84fe940065.png
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[image-20201129124010514]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/54ce3913b113b7410cf43e415fee49a5.png
[image-20201129124252287]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/995a112dc11577532d6f53d4deb7abbb.png
[image-20201129124518774]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/864640f90aa1c52e4defbe15488a1c9b.png
[image-20201129124712000]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/3e85a50df851b803d53388351def9c7a.png
[image-20201129124913287]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d34d671fa6b4080f07f221fdb13d78b5.png
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