【浅谈计算机网络】01-物理层

😎写点轻松的东西，最近学后端太累了❄

ps：虽然写了很多笔记，但是都懒得整理好发到博客上[懒]🤺🤺🤺

物理层Note

① 物理层和物理层协议的内涵

屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现的。

author大白话

也就是说，物理层就是为上层服务的用于传输数据比特的底层结构，而物理层协议就是描述物理层的具体实现方式。

因为底层物理连接的方式众多，因此物理层协议也有很多[基于点对点通信的协议、基于广播通信的协议...]

② 通信技术的几个重要概念

串行传输和串行传输

author大白话

从上图我们可以清晰的知道，并行传输的速度远高于穿行传输，因为它的信道更多。相对的，并行传输的消耗也更大。

因此，串行传输适用于长距离通信，并行传输适用于短距离通信(比如芯片内部)。
单工通信

只能有一个方向的通信，没有交互。

无线电广播、有线电广播等都是单工通信，只有一条信道
半双工通信

通信的双方都可以发送或接收信息，但是不能同时发送，当然也不能同时接受

只有一条信道
双工通信

通信的双方都可以同时发送或接收信息。

需要两条信道
同步传输

字节以比特流的形式直线传输，字节中间没有间隔。

为保证数据接收方能正确接收数据，需要收发双方的时钟同步
异步传输

③ 编码和调制

为什么要进行编码
基带信号往往包含很多低频甚至直流成分，而许多信道不能传输这个信号，因此需要对基带信号进行编码或者调制。

author大白话：也就是说，计算机网络的数据一般都是以数字信号，但是比如现在有一个字节是这样的:00000111,这种含有连续0或1的信号，接收端是无法知道到底有几个0几个1的，所有需要对基带信号进行编码。再比如，有些传输媒体无法传输数字信号，只能传输模拟信号，因此也需要把数字信号转换为模拟信号。
- 编码(基带调制)：数字信号 --> 数字信号
- 调制(载波调制)：数字信号 --> 模拟信号
常见的编码方式

看这张图就够了：
- 不归零：不是自同步，需要额外的时钟信号
- 归零：不是自同步，需要额外的时钟信号
- 曼彻斯特编码：自同步。中间的跳变既可以实现编码，又能作为周期标志
- 差分曼彻斯特编码：自同步。最后的跳变实现编码，中间的跳变作为周期标志
常见的带通调制方式

不多说，直接上图：
- 调频：有振幅为1，无振幅为0
- 调频：不用说你也懂了吧
- 调相：正弦余弦？
另外介绍一种重要的带通调制：多相调制

上面的基本的调相调制是二相调制，只有两种状态，因此每个码元只能携带一个比特。我们可以把波形调成多个相位，比如通过调相方法产生16种不同的相位(0000~1111)，这样每个码元就能携带4个比特，极大的提高了传输的效率。多相调制的原理就是这样。

但是不是相位越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。

多相调制是一个很重要的思想，后面的奈氏原理也有涉及。

这里介绍一下波特率和比特率的概念
- 波特率
  
  调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/s，称为波特(baud）
  
  author大白话：波特率描写的是码元的传输速率，也就是解调器每秒载波调制改变的数值。
- 比特率
  
  数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps。
- 波特率和比特率的关系
  
  比特率S与调制速率B之间关系可以表示为：
  \(S=B log_2 k\)
  
  k为多相调制的相数。\(log_2 k\)值表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数。
脉冲编码调制方法

另外介绍的一种调制方法，也是一种很基础的调制方法。用于把模拟信号(如语音信号)转换为数字信号。

工作过程：采量、量化以及编码

④ 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。因此，只要通过信道的频率小于它的极限容量，在理论上就能够准确识别该信号。

影响信道极限容量的因素有两个：信道带宽(信道的频率范围)以及信噪比。在研究信道的极限容量的过程中产生了两个定理：奈奎斯特准则和香农定理。

奈奎斯特准则

奈氏准则只考虑了信道带宽和其极限容量的关系，没有涉及信噪比，是无噪声的理想状态下信道的极限容量。

根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数据传输速率与理想信道带宽B（单位Hz）的关系可以写为：

\[R = 2 * B (bps) \]
香农定理

香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。

在有随机热噪声的信道中传输数据信号时，传输速率R与信道带宽B(HZ)、信噪比S/N的关系为：

\(R = B * log_2(1+S/N) (bps)\)

冷知识：信噪比实质上就是我们经常说的分贝。比如当前环境的分贝为100dB，信噪比S/N=100。题目中经常的分贝的形式来描述信噪比。

⑤ 信道复用技术

引入
信道复用允许用户使用一个共享信道进行数据通信，以达到降低成本，提高信道利用率的目的。

author大白话：

在远距离通信的时候，如果要为每两个基站单独架设一根信道的成本太大，而且当它们之前不通信时，信道就空闲下来了，利用率太低。因此我们就想要在同一个高速信道上同时传输多个用户的数据。

但是，这就产生了一个问题。接收站要怎么区分这段数据是发送给哪个用户的呢?

信道复用技术就是用于解决这个问题的：多个用户在同一条高速链路上传输的问题。

信道复用技术有：
- 频分复用FDM
- 时分复用TDM
- 统计时分复用(TDM的2.0版本)
- 波分复用WDM(光信号的频分复用)
- 码分复用CDM
FDM

将带宽分为多份，每个用户占用一个频带，互不干扰

同一时间占用不同的频带
TDM

类似于操作系统的时间片轮转，将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

不同时间占用同一频带
STDM

由于计算机数据的突发性，TDM会造成线路资源的浪费，导致信道利用率不高。

STDM帧不是固定分配的,而是按需动态分配的，从而提高信道的利用率。
WDM

光的频分复用，依赖光复用器和光分用器实现
CDM(划重点)
每个用户都有自己的码片序列，比如S用户的码片序列是(00011011)。发送1给S用户时，就发送原码片序列(00011011)，发送0给S用户时，就发送码片序列的反码(11100100)。

S站在接收到总的发送信号后，可以通过自身的码片序列还原出发送站发给自己的是0还是1。

但是给每个用户的码片序列也是有要求的，不能乱给。要求每个用户的码片序列相互之间必须正交。内积为0

例题：

共有四个站进行码分多址CDMA通信，四个站的码片序列为：

A：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)

B：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)

C：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)

D：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)

现在收到这样的码片序列T：(-1 +1 -3 +1 +1 -3 +1 +1)。问哪个站发送数据了，发送的是0还是1？

题解：
- T和A的内积为8，除以码片序列的长度8，结果为1。因此A发送了1
- 同理，得出B、C、D发送了什么
(# 0为没有发送，1为发送了1，-1为发送了0)