本篇博客将讲解我在计算机网络课程上学到的相关概念以及总结理解，今天将介绍物理层方面的知识，希望能帮助大家理解计算机网络中的一些概念
首先看一下我们第一章讲过的五层协议体系结构，想了解第一章的博客可以戳这里 ，本系列的博客也将按照这五层的顺序进行介绍
1. 物理层基本概念，物理层四大特性
物理层的基本概念
- 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，而不是指具体的传输媒体
- 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
- 用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。
物理层四大特性
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
- 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的意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2. 数据通信系统
数据
运送消息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号
数据的电气的或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
码元
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位。
有2进制码元，有k进制码元。 1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用2进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0，另一种代表1。
- 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率。它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数 （又叫做脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统中每秒传送的码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但是码元速率与进制数无关。
- 信息传输速率：表示单位时间内传输比特的个数。就是我们第一章学习的速率的定义。
这里引用一个练习题来帮大家理解：
如果传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，要求求出系统的码元传输速率是多少？信息传播速率是多少？
码元传输速率为8000/4=2000Baud,信息传播速率是2000*log2（4）=4000bit/s
若十六进制码元，6s传输了7200个码元，求对应的码元传输速率以及信息传输速率
码元传输速率为7200/6=1200Baud,信息传播速率是1200*log2（16）=4800bit/s
如此类推，对于n进制的码元，信息传播速率公式是:
码元传播速率*log2(n)
3. 信道的分类，信道的极限传输速率
信道的分类
一条电路通常包含一条发送信道和一条接收信道，信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体
- 单向通信（单工通信）------只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
- 双向交替通信（半双工通信）------通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
- 双向同时通信（全双工通信）------通信的双方可以同时发送和接收信息。
奈氏准则
1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
理想条件下，信道的极限传输速率= 2W * log2（V），单位为bit/s
其中： W为信道带宽 ，V为码元信号的有效值的个数，log2V为码元携带的信息量
由公式可见信道极限传输速率受到带宽限制
香农公式
1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为： C = W * log2(1+S/N) (bit/s)
其中：W 为信道的带宽，S 为信道内所传信号的平均功率，N 为信道内部的高斯噪声功率。
由公式可见，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若W 或 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少
4. 传输媒体
导引型传输媒体
双绞线
无屏蔽双绞线，屏蔽双绞线（带屏蔽层）
双绞线有不同的绞合度
同轴电缆
同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
光纤
光纤是光纤通信的传输媒体，材质为石英玻璃，传播原理是光的折射
多模光纤 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
单模光纤 光纤的直径只有一个光的波长，就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
非导引型传输媒体
短波
短波通信主要是靠电离层的反射，通信质量较差。但穿透性强，在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波
微波
微波在空间主要是直线传播。 5G用的毫米波是属于微波
传统微波通信有两种方式： 地面微波接力通信（雷达） 卫星通信
5. 信道复用技术
FDM（频分复用）
将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的"带宽"是频率带宽而不是数据的发送速率）。
TDM（时分复用）
时分复用则是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。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
缺点：使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
STDM（统计时分复用）
STDM 帧不是固定分配时隙 ，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。
WDM （波分复用）
波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。
CDM（码分复用）
常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰，这种方式比较隐蔽
在CDMA系统中，4个站的码片序列分别为：
A：（-1+1-1-1-1-1+1-1） C：（-1-1-1+1+1-1+1+1）
B：（-1-1+1-1+1+1+1-1） D：（-1+1-1+1+1+1-1-1）
现在接收到码片序列为S（-1+1-3+1-1-3+1+1）。请计算是哪个站发送数据，发送的二进制数是0还是1？
计算方式：
S·A =（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8 = 1， A发送1
S·B =（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8 = -1， B发送0
S·C =（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8 = 1， C发送1
S·D =（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8 = 0， 无发送
6. 物理层设备
中继器
适用于完全相同的两个网络（协议一致）的互连 ，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。 中继器是对信号进行再生和还原的网络设备。
集线器
对信号进行再生放大转发 。不具有类似于交换机和路由器的"智能记忆"能力和"学习"能力。它发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。