计算机网络--物理层正文

物理层基本概念

主要任务：确定和传输媒体接口有关的特性
- 机械特性：引脚数量，引线数目等情况
- 电器特性：传输速率、距离限制、电压范围
- 功能特性：电平表示何种意义
- 规程特性：不同功能的各种可能时间的工作规程和时序
目的：解决连接计算机的各种传输媒介上传输数据比特流的问题，不是具体的传输媒体

数据通信

调制解调器：猫，将数字信号转变成模拟信号

数据：传送信息的实体，有意义的符号序列
信号：数据的电气表现形式，在传输过程中的存在形式
三种通信方式：
- 单工通信：只有一个方向的信道，一条信道
- 半双工通信：双方都可以发送或者接受，两条信道，只能发送或接收
- 全双工信道：通信双方可以同时发送和接收，两条信道
两种数据传输方式：
- 串行传输：速度慢，费用低，远距离
- 并行传输：速度快，费用高，近距离（计算机内部）

速率、波特、带宽

速率：单位时间内传输的数据量，计算机内部传输到信道上的速率
码元传输速率：单位时间内数字通信系统传输的码元个数，单位是波特（Baud）
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）

奈氏准则和香农定理

影响失真程度的因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪音干扰
- 传输媒体质量
失真的现象：码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
奈氏准则:在理性低通条件下，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

理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V (b/s)

V：进制，一个码元代表的变化数

W：信号带宽
- 任何信道，码元传输速率是有上限的，超过上限会有严重的码间串扰
- 信道的频带越宽，就可以有更高的速率进行码元的传输
- 奈氏准则给出了码元的传输速率，没由对信息传输速率给出限制
- 码元速率受到奈氏准则的限制，想要提高数据率，必须每个码元携带更多的比特信息量，采用更高进制的调制方法
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息数据传输速率有上限值

信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+s/n）（b/s）

奈氏准则香农定理

条件低通无噪声低通有噪声

结果码元传输速率比特传输速率

公式 Wlog2V Wlog2(1+S/N)

调制与编码
1. 信道：信号传输的媒介
2. 信道上的信号：
  - 基带信号：数字信道
  - 宽带信号：模拟信道
数字数据编码为数字信号
1. 非归零码(NRZ)：难以保持同步
2. 归零编码(RZ)：信号电平一个码元内需要恢复到零的编码方式，低电平较多
3. 曼彻斯特编码：将一个码元分为两个部分，前一个部分为0，后一个部分为1，这个码元代表1；反之亦然。频带利用率=50%
4. 差分曼彻斯特编码：码元边界代表0或者1，边界不同为0，边界相同为1。实现自同步，抗干扰能力比曼彻斯特强
数字数据调制为模拟信号
1. 2ASK
2. 2PSK
3. 2FSK
模拟数据编码为数字信号
1. PCM：脉冲编码调制
  - 抽样：对模拟信号周期性扫描，时间上的连续信号变成时间上离散的信号
    
    采样定理：f(采样频率>=2f信号最高频率)
  - 量化：把抽样取得的电平量化成对应的数字值，并取整数
  - 编码：将量化结果转换为对应的二进制编码
模拟数据调制为模拟信号
1. 频分复用
2. 时分复用
传输介质
1. 传输介质：是数据传输系统中发送设备和接收设备的物理链路
  
  传输媒介不是物理层
2. 传输介质
  - 导向性传输媒介：双绞线，固定线路
  - 非导向性传输介质：自由空间，没有固定线路
3. 导向性传输介质--双绞线
  - 两个采用一定规则的并排绞合，绞线可以减少相邻导线的电磁干扰
1. 导向性传输介质--同轴电缆
  - 外层屏蔽层，绝缘保护套层，绝缘体，内导体
1. 导向性传输介质--光纤
  - 传递光脉冲，带宽很大
1. 非导向性传输介质
  - 无线电波：信号所有方向传播
  - 微波：信号沿着固定方向传播
  - 红外线：信号沿着固定方向传播
物理层设备
1. 中继器：由于功耗存在
  - 功能：对信号再生和还原，对衰减放大（再生数字信号）
  - 两端：网段，不是子网
1. 集线器（多口中继器）
  - 再生，放大
  - 转发到所有其他地方，不具备定向传送设备，共享型设备
  - 不能分割冲突域