计算机网络知识点-物理层部分

文章目录

一、通信基础
- 1. 基本概念
- 2. 奈氏准则和香农定理
- 3. 编码与调制
- 4. 电路交换、报文交换、分组交换
二、传输介质
- 1. 传输介质
- 2. 物理接口的特性
三、物理层设备

一、通信基础

1. 基本概念

（1）信号

传送信息的实体，是指数据的电气或电磁表现，分为模拟信号和数字信号。

（2）信道

信道是信号的传输媒介，分为模拟信道和数字信道，也可根据传输介质分为有线信道和无线信道。

（3）码元

一个固定时长的信号波形表示一个K进制数字，代表不同离散数值的基本波形，这个时长内的信号称为K进制码元，该时长称为码元宽度。

（4）带宽

信道中数据的传输速率，单位是比特每秒，记作：bit/s、b/s、bps

（5）波特

码元传输速率（码元速率，波形速率），单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特

（6）比特率

信息传输速率（信息率，比特率），单位时间内数字通信系统所传输的比特数，单位是比特/秒

（7）信源

产生和发送数据的源头

（8）信宿

接收数据的终点

（9）通信交互方式

单工通信：只有一个方向的通信，没有反方向的交互
半双工通信：通信双方都可以发送和接收消息，但是双方不能同时发送和接收消息（需要两条信道）
全双工通信：通信双方可以同时发送和接收消息（需要两条信道）

2. 奈氏准则和香农定理

（1）奈氏准则

奈氏准则，也叫奈奎斯特定理，其定义了在理想低通的信道中，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值。

理想状态下码元传输上限为： ${2W\log_2V}$ 单位是 b/s，其中 W 是信道带宽单位是 HZ，V 是码元的波形数量。

奈氏准则有以下结论：

任何信道中，码元的传输速率是有上限的。
信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的传输
奈氏准则给出了码元的极限传输速率，但是没有给出信息的极限传输速率（即一个码元对应多少个二进制位给出限制）

（2）香农公式

香农公式，也叫香农定理，其定义了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率。

极限数据传输率为： ${W\log_2{(1 + S/N)}}$ 单位是 b/s，其中 W 是信道带宽， S 是信道传输信号的平均功率， N 是信道内部的高斯白噪声功率。 S/N 是信噪比，通过 ${10\log_{10}{(S/N)}}$ 可以算出信噪比的分贝（dB）

3. 编码与调制

（1）概念

调制：数据变换成模拟信号的过程。
编码：数据变换成数字信号的过程。

(2) 数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，在不改变数字信号频率的情况下，直接传输数字信号。下面是常见的编码方式：

非归零编码：低电平为 0，高电平为 1，优点是易于实现，缺点是无法同步
归零编码：当码元是 0 时是低电平，当码元是 1 时，将码元分成两个相等的间隔，前一个间隔是高电平，后一个间隔要归零为低电平。其优点是可以实现同步，缺点是归零时需要占用一定带宽
曼彻斯顿编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平表示1，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示0。当然也可以反过来定义 0 和 1，以太网使用的就是曼彻斯顿编码。其优点是可以实现同步，缺点是占用两倍的带宽
差分曼彻斯顿编码：将码元分成两个相等的间隔，若当前码元为1，则前一间隔的电平与上一个码元相同，若当前码元为0，当前一间隔的电平与上一个码元相反。其优点是可以实现同步，并且抗干扰性好

(3) 模拟数据编码为数字信号

模拟数据编码为数字信号时采样、量化、编码三个步骤。

采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号，变成时间上离散的信号，采样频率要大于模拟数据带宽的两倍
量化：将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度，转化为对应的数字并取整
编码：把量化的结果转换成对应的二进制编码

(4) 数字数据调制成模拟信号

常见的三种方式：

调幅（AM）：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 0 或 1
调频（FM）：通过改变载波信号的频率来表示数字信号 0 或 1
调相（PM）：通过改变载波信号的相位来表示数字信号 0 或 1

(5) 模拟数据调制成模拟信号

需要更高的频率，使用频分复用技术（FDM）充分利用带宽资源

4. 电路交换、报文交换、分组交换

（1）电路交换

电路交换技术需要三个阶段：

连接建立：数据传输前，先建立起一条专用（双方独占）的物理通信路径
数据传输：电路建立以后，数据就可以从一端发送到另一端，在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。
连接释放：数据传输结束后，由某一方发出释放请求，然后逐节释放到对方节点

电路交换技术的优点：通信时延小、有序传输、没有冲突、实时性强

电路交换技术的缺点：建立连接耗时长、线路独占、灵活性差、无数据存储能力

（2）报文交换

报文交换的时候使用存储转发方式，单位是报文，报文中除数据信息外，还携带有目的地址、源地址等信息。

报文交换技术的优点：无须建立连接、动态分配线路、提高线路利用率、提高可靠性

报文交换技术的缺点：数据进入交换节点后要经过存储、转发，所以存在转发时延，对报文的大小也没有限制，所以网络结点要有较大的缓存空间

（3）分组交换

分组交换采用存储转发方式，限制了每次传送的数据块的大小上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，在加上一些必要的控制信息（源地址，目的地址，编号信息），构成分组

分组交换技术的优点：无须建立连接、动态分配线路、提高线路利用率、提高可靠性、减少了出错概率和重发数据量

分组交换技术的缺点：存在传输时延、需要额外的信息量、分组会出现失序，丢失或者重复分组，到达目的地后要对分组进行排序工作

二、传输介质

1. 传输介质

（1）双绞线

最常用的古老传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。双绞线还分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)，主要区别是在双绞线的外面是否有金属丝编织的屏蔽层。

双绞线价格便宜，适用范围广，可以进行模拟传输和数字传输，传输距离从几千米到数十千米，当距离过大时可以使用放大器（模拟信号时使用）或中继器（数字信号时使用）放大衰减的信号

（2）同轴电缆

由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成，具有良好的抗干扰性，可以传输较高速率的数据，而且传输距离比双绞线更远，但是价格比双绞线更贵。同轴电缆常见的有50欧姆同轴电缆和70欧姆同轴电缆，50欧姆同轴电缆更多用来传输基带数字信号，70欧姆同轴电缆更多用来传输宽带信号或用于有线电视系统

（3）光纤

利用光导纤维传递光脉冲，并通过光的全反射原理在光纤中传输。传输损耗小、距离长，抗雷电和电磁干扰性能好，体积小，重量轻。

（4）无线传输介质

常见的无线传输介质有：

无线电波：有较强的穿透力，信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信
微波、红外线、激光：需要发送方和接收方之间存在一条视线通路，有很强的方向性，都沿直线传播，有时统称这三者为视线介质
卫星通信：利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制，优点是距离远、覆盖广，缺点是传播时延比较大

2. 物理接口的特性

机械特性：主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等
电气特性：传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
功能特性：某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，
规程特性：主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系

三、物理层设备

1. 中继器

中继器用来将数字信号整形并放大再转发出去，从而消除信号的失真和衰减，其原理是让信号再生，而放大器的原理则不是让信号再生，治是单纯的放大。
通过中继器可以扩大网络规模，但不能连接不同速率的网络。

2. 集线器（HUB）