考研计算机网络第二章物理层知识点总结

物理层基本概念
- 物理层解决如何在连接各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。
  (传输媒体指的是数据在传输过程中需要经过的介质，比如光纤、电缆、同轴电缆、双绞线等，物理层就是用来传输数据比特流的，不是具体的传输媒体，意思就是不管那个物理介质是哪个厂家的，只需要管本层次的内容以及与下面传输媒体的接口，所以常把传输媒体称作参考模型的第0层)
  - 物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。(定义标准)
    物理层只管这个层次的设备，还有怎么把数据放到链路上传输，还有就是要管接口有什么特性。就是定义标准的过程。一个厂家的手机，虽然很多手机配置不一样，但是充电的插口是一样的。
  - 物理层规定的特性：
    - 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。
    - (看到引线、引脚基本上就选机械特性)
    - 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。
      看到二进制、距离就选电气特性。
    - 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。
    - 看到高电平表示什么含义，就选功能特性。
      - 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。
- 通信基础
- ★两个公式lim(求极限的数据传输速率)
- 看图说话(数字信号的图形)
- 物理层的传输介质
- 物理层重要的设备
数据通信基础知识
- 典型的数据通信模型
  宽带是入网，不需要调制解调器，直接插网线。
  假如在电脑里面发送一个“在吗”，“在吗”这两个字要转换成计算机可以理解的0101的数字比特流的形式，然后从网卡发出来的时候，就形成了数字信号。这个数字信号就可以表示刚才发的那个比特流序列，低电平是0，高电平是1。表现成电压的形式就是-5伏、0伏、5伏等。然后就在网线里面进行传输，传输到调制解调器的时候，把数字信号转换成模拟信号，就可以发送到网络。然后接收端这边也需要一个调制解调器，将模拟信号转换成数字信号，接收端计算机内部会将数字信号进行处理，分辨出这个信号的二进制序列，经过处理之后再显示为汉字“在吗”
  - 输入信息：用户往计算机里面输入的信息
  - 信源：只发送端的计算机
  - 输入数据：信源将数字信号发出来
  - 发送器：调制解调器(将数字信号转换为模拟)
    ★信源和发送器属于源系统
  - 发送的信号：发送的的模拟信号
  - 传输系统：公用电话网
  - 然后传输系统把接收到的信号传输到接收端，接收端也需要一个调制解调器，把模拟信号调整为数字信号，进而把数字信号变成输出数据传送给信宿，终点设备就可以把从调制解调器里面得到的数据流显示到屏幕上面，输出人们可以理解的信息。
- 数据通信相关术语
  - 通信的目的：传送消息
  - 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。(波形如下)
  - 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。(波形如下，波形没有发生突变)
  - 信源：产生后发送数据的源头。
  - 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，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。(是信号的依附载体，信号要在信道上面才能传输，信道也是向量性的一个概念，有方向的)
    无线信道就是不需要物理意义上的介质，有线，通过光纤，同轴电缆等传输的就是有线信道。
- 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。(现在通常使用的方式)
  - 两种数据传输方式
    - 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，适合近距离。
      并行使用的信道更多，用于计算机内部数据传输。
    - 并行传输接口
码元、波特、速率、带宽
- 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进制源码元。大马园的离散状态有M个时(M大于2)，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。(使用二进制编码时有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。)
    - 假如是4进制码元
- 速率：也叫数据率，是指数据的传输速率(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。(指的是把数据从主机到链路上传送的速度)
  传输速率指的是在主机那块把数据发送的那个速度。传播速率指的是在整个信道上进行传播的速度。
  数据要进行传输的话，要先转化成信号的形式，以电磁波或光波为载体，让电磁波或光波背着信号往前跑。信道上的传播速率就是电磁波或光波的速度。
  - 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，但是马原速率与进制数无关。(通俗地说就是，一秒内可以传输多少个码元)
    1Baud=1码元/s
  - 信息传输速率：别名信息速率、比特率等。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)。(通俗地说就是，一秒能传输多少个比特)
  - 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。
    假如一个码元携带2 bit的信息量，则5 Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为5×2=10 bit/s
- 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。(最高数据率指的是最高数据传输速率最高数据或说发送速率)
- 习题
  - 十六进制更快的原因：信息传输速率一个码元是两比特。所以4800比特就是2400个码元/s(也就是2400 Baud/s)。而上面四进制的码元系统，每秒是2000波特。
奈氏准则和香农定理
- 概念
  - 失真
  - 失真的一种现象——码间串扰
    赫兹是一秒内振动的次数。
    波动越平缓(波形越胖)，频率越低。
  - 奈氏准则(奈奎斯特定理)(为了解决码间串扰的问题，nice)
    - 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。
      低通就是低于最高频率的可以通过，带宽受限。上限就是2W Baud。
      ★奈氏准则和香农定理，这两个公式中带宽的单位用Hz！题目中说带宽是多少赫兹，就可以用奈氏准则或香农定理来求。
    - 为了混淆大家，再求一步极限数据率吧～
      使得奈氏准则看上去和相同定理很像，但是他们两个侧重点不一样。奈氏准则只是限制码元传输速率的上限，但是香农定理才是真正的限制信息的传输速率(也就是比特率)的上限。
    - 奈氏准则怎样求极限数据率
    - - 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.信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行马原的有效传输。
        如果公式当中，W越大，对应的码元的极限传输速率就越大，所以才会使用更高的速率进行码元的有效传输。频带越宽指的就是信道当中最高频率和最低频率之间的差距越大，就越宽。因此对应信道当中可以通过的高频就更多，比如说原来最高屏只能到4000Hz，现在频带提高了，带宽变高，那可以通过的高频分量就可以超过4000Hz，因此能通过的高频分量就越多。
      - 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够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。
        原来的码元对应的是一位二进制数，如果想让信道的极限传输数据率更高的话，可以让一个码元携带更多个比特位，也就是说码元的种类更多，可能要用两位、三位、四位二进制数来表示每个码元。这就是多元制的调制方法。
    - 用奈氏准则公式做题
  - 香农定理(解决比特传输速率最高是多少，同时还考虑到信道当中的电子干扰，也就是噪声的影响)
    - 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。但是噪声的影响是相对的，如果信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
    - 信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即：
  - 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差(接收端可以清楚地分辨出码元是多少，可以清楚地看到波形是什么)，信息的数据传输速率有上限值。
  - 根据这个公式可以得出推论
    - 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.香浓定理得出的为极限信息传输速率，实际信号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没有上线(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
  - 习题
    在考试中不会告诉你要用哪个公式，要自己判断。
  - “nice”和“香浓”的区别以及在题目当中如何选用
    两个都算出来，选值最小的那个。
- 编码与调制
  - 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道和一条接收信道。
      - 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，从而新到内容不易发生变化)
      - 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。)
  - 编码与调制
    - 区分编码还是调制看最后转成的信号是数字的还是模拟的
    - 1.数字数据编码为数字信号
      - 常用编码方式
    - 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。
      - 给的已知条件简单一点，就可能只有调幅或者只有调相，难一点就可能把条幅和调相结合在一起，当遇到这种题，就把相位和振幅相乘，求出所有状态的总数，就是有多少种码元。然后乘波特率，就是该链路的信息传输速率。
    - 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、量化转化成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。
      - 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉冲调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于才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。
        因为模拟信号是一个连续的波形，抽样的过程就是每一个时间周期抽一次，看一次这个时候所对应的电压是多少，电平是多少。因此就把这个连续的完整的波形变成了一个又一个的小点。
        
        为了使所得的离散信号能无失真的代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：
        
        对于所有的模拟信号，都是由一系列的正弦波所叠加而成的。所以就可以把任何的一种模拟信号区分过滤区来所对应的正弦波。
        
        因为a波是整个信号组合当中频率最高的信号，可以看到它的采样赫兹是b波的二倍。当然采样赫兹再高一点也可以，采样频率越高，就说明对数据的把握更精准。就把信号波形恢复的更准确，也就不容易失真。
        
        在音乐上看到这样一个采样频率为44.1kHz。因为人所能听到的声波从20Hz到20kHz。如果要听音乐的话，要使音乐尽可能的保存耳机或设备，对音乐的采样频率就尽量的达到人所能听到的最高频率的二倍以上，也就是大于等于40kHz。只有达到了这样的采样频率，才能够使得人所听到的声音能够完全整地采样到。
        
        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，这样就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
        因为抽样之后就得到一些离散的点，但是这些点对应的纵坐标或者对应的电平值千奇百怪，可能是几点几伏，所以我们就需要把这些小数的幅还有整数的幅统一为整数，而且按照一定的分级标准，一段一段的，这一段之间的幅值全部都定义为这一段的整数值。
        
        3.编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
        因为刚才量化之后就会得到一系列的整数的电平幅值，所以就把这些整数的电平幅值看作为几种电平的状态或者信号的状态，这时候就需要用到码元和比特的转换，每一种信号状态就对应着一种码元，因此，假如总共有4种信号状态，那我们只需要用2个比特位来表示这4种信号状态(电平幅值)。
    - 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。
      - 脑图
- 物理层传输介质
  - 传输介质及分类
    - 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。
      前面说的信道是发送端到接收端的一个逻辑通路，而传输介质是实实在在存在的，是看得见摸得着的物理通路。
    - 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。
        如果说物理层是傻瓜层的话，传输媒体连傻瓜都不如。只是单纯的作为一个物理通路。
    - 传输介质的分类
      - 导向性传输介质
        
        1.双绞线
        
        双绞线是古老、又最常用的传输介质，它是由两根采用一定规则并排绞合的，相互绝缘的铜导线组成的。
        绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。(两条铜线它们的电流是相反的，所以产生的电磁波(电磁场)可以相互抵消，因此就不会影响到其他的导线。)
        
        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)。
        
        STP和UTP的区别：是否有一个金属丝所编织的屏蔽层。
        
        双绞线的特点
        
        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10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。
        
        2.同轴电缆
        
        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70Ω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，在局域网中得到广泛应用；70Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆主要用于有线电视系统。
        同轴电缆是共用同一个轴心，所以说是同轴电缆。
        
        同轴电缆和双绞线的区别
        
        3.光纤
        
        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，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10^8MHz，因此光线通信系统的宽带远远大于目前其他各种传输媒介的宽带。
        光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，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还原出电脉冲。
        
        光纤的构造
        
        光纤主要有纤芯(实心的！)和包层构成的，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率(纤芯折射率高，包层折射率低)。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，即光线碰到包层的时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
        因此可以传送超远的距离，也有着超低的损耗。
        
        可以射入多条光线
        
        生活中的光纤（单根）
        
        捆成一捆的光纤
        
        光纤的特点
        
        1.传输损耗小，中继时间长，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。
      - 非导向性传输介质
        
        1.分类
    - 脑图
- 物理层设备
  - 中继器
    - 诞生原因
      - 由于存在损耗在线路上，传输的信号功率会出现衰减，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。
        中继器是用来再生数字信号。
        对于模拟信号也有放大的设备叫放大器。
    - 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端上的数据发送到另一段电缆段上，它仅作用于信号的电气部分，而不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。(单纯地把数据放到电脑上传输)
      - 两端可联相同的媒体，也可联不同媒体。
      - 从机器两端的网段一定要使同一个协议。(中继器不会存储转发)
    - 5-4-3规则
      - 网络标准中都对信号的延迟范围做了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
        5：最多不超过5个网段。
        4:在5个网段内最多有4个物理层的网络设备。可以是中继器，也可以是集线器。
        3：只有三个段可以挂接计算机。只有三个段可以连接计算机。
  - 集线器(多口中继器)
    - 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，接着转发到其他所有(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。
        如果一台集线器连接的机器数目比较多的话，其他的主机要同时通信时，这样就会导致发生信息的碰撞，就会使集线器工作效率变低。只要信息发生碰撞，就要再等一个随机时间再去发送数据。如果要同时通信的话，就会使所有在工作的主机评分带宽。
- 总结

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