计算机网络——物理层
物理层的基本概念
物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特 0 和 1 的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。
传输媒体
- 导引型传输媒体
如：双绞线、同轴电缆、光纤 - 非引导型传输媒体
微波通信（2 ~ 40 GHz），如 WiFi
物理层协议的主要任务
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定的装置。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
传输方式
- 串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的
- 并行传输：一次发送 n 个比特
- 同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔（一个接着一个）
- 异步传输：指字节之间同步（字节之间的时间间隔不固定），字节的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）
- 单向通信（单工）
如：无线电、广播 - 双向交替通信（半双工）：可以相互传输数据，但不能同时进行
如：对讲机 - 双向同时通信（全双工）：通信双方可以同时接收和发送消息
如：电话
编码与调制
消息（message）：用户的文字、图片、音频、视频等
数据（data）：运送消息的实体，在计算机中采用二进制数据
信号（sign）：计算机中的网卡将数据中的比特 0 和比特 1 变换成相应的电信号发送到网线，即信号是数据的电磁表现。
基带信号：信源发出的原始电信号
- 数字基带信号：如计算机内部 CPU 与内存之间传输的信号。
- 模拟基带信号：如麦克风收到声音后产生的音频信号。
信号需要在信道中进行传输，信道分为数字信道和模拟信道。
编码：在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。
如：以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B 等编码。
调制：把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。
如：WiFi 使用补码键控（CCK）、直接序列扩频（DSSS）、正交频分复用（OFDM）等调制方法。
对于模拟基带信号也有编码和调制两种方式处理，知识点不重要。
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。（码元就是构成信号的一段波形）。
常用编码
不归零编码
在整个码元时间内，电平不会出现零电平。
正电平表示比特 1，负电平表示比特 0。
需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。然而对于计算机网络，宁愿利用这跟传输线传输数字信号，而不是传输时钟信号！故计算机网络中的数据传输不采用不归零编码。
归零编码
每个码元传输结束后信号都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。
但是，归零编码中大部分数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。即编码效率低。
曼彻斯特编码
码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。
未规定电平升高或降低与比特的对应关系。
差分曼彻斯特编码
跳变只表示时钟；码元开始处电平是否发生变化表示数据。
比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。
基本调制方法
调幅（AM）
无载波输出表示比特 0，有载波输出表示比特 1。
调频（FM）
调相（PM）
初相位 0 度的波形表示比特 0，初相位 180 度的波形表示比特 1。
使用基本调制方法，1 个码元只能包含 1 个比特信息。故使用混合调制。
信道的极限容量
信号失真因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W （单位：码元/秒）
理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W （单位：码元/秒）
码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：
- 当 1 个码元只携带 1 比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。
- 当 1 个码元携带 n 比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以 n。
要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，这需要采用多元制。（既然码元传输速率有限，那就想办法提高每个码元携带的比特）
香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
\[c = W \times log_2(1 + \frac{S}{N})\\单位：bit/s \]c：信道的极限信息传输速率（单位：b/s）
W：信道带宽（单位：Hz）
S：信道内所传信号的平均频率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位
\(信噪比（dB）= 10 \times log_{10}(\frac{S}{N}) \ \ \ \ (dB)\)
通过香农公式可知：信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
结论：在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
