[笔记]计算机网络_物理层_通信基础

物理层

物理层考虑的是怎样才能在连接各台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。

个人理解是：当我们提到物理层时，想的可能是最原始的01信号是怎么在空气、电缆这些传输介质中所传输的，但考研所考察的物理层部分的知识指的是数据，也就是这些01信号，是怎么在不同物理设备的接口之间所传输的，比如一段数据线，我们主要不是研究数据是怎么在数据线上跑路的，而是研究数据线上的USB接口怎么跟电脑端口通信的。

书上的内容：传输媒体并不是物理层，传输媒体在物理层的下面，而物理层是体系结构的第一层，因而有时候称传输媒体为第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着什么。也就是说，传输媒体不知道所传输的信号什么时候是0 什么时候是1。但物理层由于规定了电气特性，因此能够识别所传输的比特流。

通信基础

基本概念

数据，信号和码元，容易弄混的部分是码元：指用一个固定时长的信号波形表示一位k进位数据，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。

信源、信道和信宿：一个数据通信系统主要划分为信源，信道和信宿三个部分。信源是发信息的，信宿是收信息的，信道是信号的传输媒介。

信道和电路并不等同，一个信道可以视作一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传输信息的介质。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。

可见码元的定义很严谨嘛，是“用一个固定时长的……”，码元不一定包含多个比特，像下边的曼彻斯特编码，两码元才能表示出来一个比特。

至于一码元是如何包含得了多个比特的，按照定义来说，码元就是一个固定时长的波形信号，用这个波形信号来表示一个k进制数字，最常见的就是二进制码元，一码元能表示出0和1两种形态。假如说要让一码元携带两比特，那就相当于表示一个4进制数了，也就是说码元可以有4种离散的状态。

传输方式的三种分类

1.串行传输和并行传输

串行传输：适合远距离传输，计算机网络的远距离通信一般采用这种传输方式；

并行传输：不适合远距离传输，成本太高，计算机内部采用的是并行传输。

2.同步传输和异步传输

• 同步传输：比特一个接一个传输，中间没有间隔，各比特持续时长相等，需要收发双方时钟同步，有两种方法：外同步和内同步；

外同步就是在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线；内同步就是发送端将时钟同步信号编码到发送信号中一同传输，如曼彻斯特编码这种。

• 异步传输：以字节为单位进行传输，字节之间的间隔不固定，但每个字节内的比特的持续时长是相等的；换句话说，字节间是异步的，比特间仍是同步的，为此需要给每个字节添加起始位和结束位。

3.单向通信、半双工、全双工通信

• 单向通信：无线电广播、电视广播
• 半双工通信：对讲机
• 全双工通信

速率、波特和带宽

速率也称为数据率，指的是数据传输速率，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：又称波特率，表示单位时间内传输的码元个数，单位是波特Baud。1波特表示每秒传输一个码元。码元可以是二进制的也可以是多进制的，码元速率与进制数无关。
• 信息传输速率：又称信息速率、比特率等，单位是比特/秒（b/s）

注意：波特和比特是两个不同的概念，假如说一个码元携带n比特的数据量，则M波特率的码元传输速率对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

奈奎斯特定理和香农定理

直觉上也能猜一下，这两位是重量级。

奈奎斯特定理

理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog₂V (单位是b/s)

V表示每个码元离散电平的数目，也就是说假如码元为0000，0001……1111一共有16个码元，V=16，log₂V=4表示占用了4个二进制位。

W是理想低通信道的带宽，极限码元传输速率为2W波特。

香农定理

信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N)

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)，例如当S/N=1000时，信噪比为30dB。

• 为啥说信噪比在等于1000的时候，却还等于30dB？

在做题的时候，发现假如说出现信噪比等于多少多少dB的时候，要将其转化为S/N的比值的形式，带入到上边香农定理的公式中。

至于为啥一会是1000一会是取对数后的30dB，它俩在数值上是等价的，后者这种表示方式属于电子通信领域的习惯表示方法了。

• 在做题时遇到“采用4相位调制”这种题干条件时，意思是V=4，log₂V=2，即占用了两个二进制位。

编码与调制

把数据变换成模拟信号称为调制，把数据变换成数字信号称为编码。

1.数字数据编码为数字信号

1.归零编码：归零编码（RZ）用高电平代表1，低电平代表0；每个时钟周期的中间由高电平跳转到低电平。

2.非归零编码：非归零编码（NRZ）与RZ编码的区别是不用归零。

3.反向非归零编码：反向非归零编码（NRZI）与NRZ的区别又是用信号的翻转代表0，信号的不变代表1

4.曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，码元0的表示则相反。

5.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码元的后半个码元的电平相同；若码元为0则情景相反。

6.4B/5B编码：简单来说就是用5个比特来编码4个比特的数据。

以太网使用的就是曼彻斯特编码

例题：测得一个以太网的数据波特率是40MBaud，那么其数据率是（）20Mb/s

因为以太网采用的是曼彻斯特编码，因而每位数据都需要两个电平来表示，因此波特率是数据率的两倍。

注意：对于曼彻斯特编码，每个比特需要两个信号周期，编码效率是50%。

2.数字数据调制为模拟信号

1.幅移键控（ASK）

2.频移键控（FSK）

3.相移键控（PSK）

4.正交振幅调制（QAM）

在频率相同的情况下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号，设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传播速率R为

R=Blog₂(mn) (单位为b/s)

3.模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。主要包括三个步骤，即采样、量化和编码。

4.模拟数据调制为模拟信号

利用频分复用技术（FDM）。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

 

电路交换、报文交换与分组交换

干脆直接截ppt好了……内容很详细

1.电路交换

2.报文交换

3.分组交换

3种数据交换方式的选择

• 就交换技术而言，以太网采用的是分组交换技术。
• 为了使数据在网络中的传输时延最小，首选的交换方式是电路交换；
• 为了保证数据无差错地传输，不应选用的交换方式是电路交换；
• 分组交换对报文交换的主要改进是传输单位更小且有固定最大长度，这种改进产生的直接结果是减少了传输时延；
• 报文交换，因为经过网络的传输延迟长而且是不固定的，不能用于语音数据传输；
• 在出错率很高的传输系统中，选用数据报方式更合适。

虚电路和数据报

这两个都是分组交换里的方式。

数据报方式

虚电路方式

虚电路提供的是一种可靠的服务，能保证数据的可靠性和有序性。

王道的课有点念PPT了，不过PPT本身的内容还是挺全面的。

【王道计算机考研 计算机网络-哔哩哔哩】 https://b23.tv/QsPdxzB

End：内容扩展

其实不能算是扩展，王道教材上课后题的有些点压根在前边找不着，直接以碎片化的形式加在后边吧。

• 虚电路的连接是临时性连接吗？不是，虚电路不只是临时性的，它提供的服务包括永久性虚电路（PVC）和交换型虚电路（SVC），其中前者是一种提前定义好的，基本不需要任何建立时间的端点之间的连接，而后者才是一种临时性连接并在会话结束后就取消这种连接。
• 为什么在出错率很高的传输系统中，选择虚电路方式是一种不合适的做法？因为虚电路是面向连接的，所有分组都按同一路由进行转发，一旦虚电路中的某个结点噶了，就必须重新建立一条虚电路。
• 有这么一号题，让计算最大数据传输速率，这种题要注意一下香农定理和奈奎斯特定理两个公式得出来的结果，然后选最小的那一个结果。（24王道P41第14题）