408计算机网络--物理层

一、物理层概述

物理层是干嘛使得？

物理层解决如何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。

物理层主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性。定义标准可以理解为插排上的两孔三孔

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
2. 电气特性：通常会有数字。规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。例如：某网络在物理层规定，信号的电平用+10V～+15V表示二进制0，用−10V～−15V表示二进制1，电线长度限于15m以内
3. 功能特性：不会出现数字，出现含义、意义等。指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。例如：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时
4. 规程特性：出现规程、时序。（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

二、数据通信基础一

QQ发送一段话：在吗？在干嘛？多喝热水？如何把人理解的一段话转化为机器所能理解的语言呢？其实本质就是一系列1010的组合形式，计算机网卡发出的电信号或者叫数字信号接下来需要经过一个调制解调器把这个数字信号转化为模拟信号。因为在公用电话网中有很多模拟信道，而模拟信道中只能传输模拟信号不能传输数字信号，那么就需要这么一个调制解调器进行信号的转换，到了另一边则需要进行信号转换的逆过程同样需要调制解调器，接下来计算机会把数据的比特流转成我们人类可以理解的语言形式。

专业名词描述：输入端叫做信源（信息的来源），接下来数据会经过信源发送到发送器（调制解调器）接收端的可以叫做接收器，中间公用电话网可以看作是一个传输系统。所以整个流程看作是源系统-->传输系统-->目的系统

数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）。

数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。 信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，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。

信道按传输信号分为模拟信道（传送模拟信号） 数字信道（传送数字信号）

按传输介质分为无线信道 有线信道

数据通信需要考虑3个问题

1. 通信双方的交互方式划分：
   
   • 单工通信（广播）：仅需一条信道，不会存在反方向交互
   • 半双工/双向交替通信（对讲机）：需要两条信道，双方都能发送和接收但不能同时进行
   • 全双工/双向同时通信（打电话）：需要两条信道，可以同时发送和接收信息
2. 数据传输方式划分：
   • 串行传输：一条信道发送一个字符8位二进制数【速度慢，费用低，适合远距离】
   • 并行传输：八条信道同时发送8位二进制数【速度快，费用高，适合近距离】例如计算机的打印机、扫描仪接口
3. 实现同步的传输/通信方式划分：
   • 同步传输：连续的发送，在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，比如传送4个字节（一个区块）需先送出1个或多个同步字符SYN，再送出整批的数据，接收端在接收的时候发现这几个同步字符就可以准备接收了。
   • 异步传输：不是连续的将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位 和一个字符终止位。常见例子就是在键盘上敲数字，不知道什么时候才会触发。

三、数据通信基础二

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，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。当码元的离散状态有M个时（M大于2），

此时码元为M进制码元。

1码元可以携带的多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代

表1状态。

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，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：码速。单位时间内数字通信系统传输的码元个数（脉冲变化次数）单位是baud，数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关
• 信息传输速率：比特率。单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数）单位是bit/s，若一个码元携带n bit的信息量，则M baud的码元传输速率是M × n bit/s

某一数字通信系统传输的是四进制码元,4s传输了8000个码元,求系统的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?

若另一通信系统传输的是十六进制码元,6s传输了7200个码元,求他的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?并指出哪个系统传输速快?

结论：2000Baud，4000b/s；1200Baud，4800b/s；十六进制更快

四进制码元系统

码元传输速率就是8000/4=2000Baud，信息传输速率就是2000×2=4000b/s

十六进制码元系统

码元传输速率就是7200/6=1200Baud，信息传输速率就是1200×4=4800bit/s

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快。

什么是带宽？（更大带宽，更大的信息传送能力）

1. 模拟信号系统带宽：在一个模拟信号系统里，当你输入的信号频率过高或过低，以至于输出信号强度减弱到只剩原来一半（这是个关键点，叫作-3dB点），那么这两个特定频率之间的差距就是这个系统的"带宽"。就好比一段水管能有效输送水流的最大宽度，它的计量单位是赫兹（Hz）。
2. 数字设备带宽：在数字世界中，带宽就像一条信息高速公路的车道宽度，它衡量的是单位时间内从网络一端传送到另一端的最大信息量，或者说是一秒钟内能通过的数据包数量。这里的带宽用"比特每秒"（bps）来衡量，直接反映了网络线路传输数据的能力大小。

奈氏准则和香农定理

首先引入一个数据失真的概念性问题，什么是数据失真？失真有哪几种情况？失真的影响因素有哪些？

在真实的信道中，肯定会遇到一些带宽受限的信道干扰 ，噪声干扰 ，媒体质量 ，传输距离等导致在接收端就会收到很难识别的信号波形，不知道传过来的是1还是0 。

上图2中左边对应的是信号带宽，并不是所有的信号都能通过电话线调制进行传播，中间两个可以通过的最高和最低的频率HZ之差就是信道的带宽了。第一个不能通过的原因是震动太低，在传输的过程中衰减到不能传输，第四种是因为震动的次数和频率太快导致接收端不能区分波形之间的差异就会导致码间串扰的现象。【接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象】

那为了解决码间串扰的问题，就引入了奈氏准则==

奈氏准则 ：在理想低通（无噪声，带宽受限）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。

1. 每个通信通道都有传送码元的"速度极限 "，如果超速了，就像车开太快容易出车祸一样，码元之间会互相干扰（码间串扰），这样一来，接收方就很难甚至无法准确地把原本发送的每个码元分开来。

2. 信道好比一条高速公路，它的宽度越大（频带越宽） ，就能同时容纳更多快速行驶的"码元车辆 "。也就是说，频带越宽的信道能支持更快的码元传输速度。

3. 奈氏准则就像交通规则 ，它规定了在理想情况下码元不能超过的最大传输速度 ，但这个规则只管单个码元 的速度，并没有直接说在这条路上究竟能运输多少货物（信息量）。

4. 要提升信息传输效率，就好比要想办法在有限的车流量（码元速率）下运载更多的货物（信息）。那么，我们就得改进"装载方式"，比如让每一辆车（码元）装更多的包裹（比特）。这就像多元制调制技术那样，通过改变码元的状态组合，使得单个码元能携带更多信息比特，从而间接提高整个数据传输速率。

例题：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？

解答：采用4个相位和4种振幅那就是有调向和调幅16种变化，对应16种码元。最大数据传输率=2 x 3k x4=24kb/s

香农定理不仅定义了在信道中传输的比特极限传输速率，而且考虑到了实际会存在的电磁干扰和噪声影响 （噪声影响是相对的，实时噪声是瞬时的随机的，可能对码元的判断是致命的，但信号强影响又很小，需要信噪比参数来衡量）

1. 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。

   信道好比是一条公路，带宽就像是路的宽度，信噪比就像是路上汽车与背景噪音的比例。路越宽，噪音越小，汽车跑得就越快，所以信息传输的速度（好比汽车运送货物的速度）就能提得更高。

2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。

   固定了路的宽度和噪音水平，就像给这条路设定了一个最快行车速度限制。在这个限制内，信息传输的最快速度也就被确定下来了。

3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。

   只要开车的速度不超过这条"信息公路"的最高限速，就总能找到合适的方法确保货物（信息）安全、准确送达目的地，不会出错。

4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

   香农定理揭示了在最优条件下信息公路能达到的理论最高速度，但实际上，由于种种现实原因，实际驾驶过程中我们往往达不到这个理论上的最高速度。

5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

   幻想一下，如果有无限宽的路（无限带宽）和绝对安静无噪音的环境（无穷大的信噪比），那这条信息公路理论上就没速度上限了，想多快就能多快。不过现实中这两种条件都是不可能实现的。

例题：电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？

解答：信噪比30dB，根据信噪比公式可得S/N=1000，最大数据传输速率=3000Hz×log2(1+1000)≈30kb/s

**奈氏准则【内忧】**更像是分析了一个理想课堂环境下的情况，其中假设老师（信号源）发出的声音非常清晰、稳定且不受限制，而学生能否听清楚主要是取决于相邻同学之间的说话声（码间串扰），即信道自身的物理特性是否会导致信号失真。换句话说，奈氏准则主要关注的是码元（每个独立信号单元）传输速率的上限，并且是在没有噪声的理想条件下讨论的。

**香农定理【外患】**则更加全面地考虑了课堂的实际复杂性，不仅包括了学生们相互之间的噪音干扰（噪声），还考虑到了老师讲话音量的大小以及教室的扩音效果等因素（相当于信号功率和信噪比），它指出即使存在噪声，在一定信噪比和带宽条件下，仍有一个理论上能达到的最佳信息传输速率。因此，香农定理提供了一个在现实噪声环境中，如何最大化有效信息传输的理论指导。

四、数据编码和调制

信道上传输的信号：
基带信号 ：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是。
宽带信号 ：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

在传输距离较近时 ，计算机网络采用基带传输 方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化 ）

在传输距离较远时 ，计算机网络采用宽带传输 方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

【编码：数据--->数字信号，调制：数据--->模拟信号】

数字数据编码为数字信号【前瞻知识点：码元传输速率既可以是一秒传输的码元个数 或者是脉冲个数 或者是信号变化的次数 】

1. 非归零编码【NRZ】==高1低0

   编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

2. 曼彻斯特编码==高到低1，低到高0

3. 差分曼彻斯特编码==同1异0-虚线两边的信号，指向下一个码元

   如何理解曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码？
   曼彻斯特编码 在一个码元周期的中间如果发生高到低的跳变 则代表当前码元信息是1，否则低到高代表0，在一个码元信息里，半周期跳变位置处传递的是数据0/1信息，而特定时刻发生跳变则提供给接收端知道这是下一个比特开始的位置，从而实现了位同步。
   差分曼彻斯特编码 在一个码元周期的起始边界有电平跳变 代表异0，没有跳变则表示同1，数据信息存在码元边界的跳变中，指向下一个码元。

   总结就是曼彻斯特编码依据的是码元周期中间电平是否从高到低或从低到高变换 ，差分曼彻斯特编码则是看码元周期的起始边界是否有电平跳变。

4. 归零编码【RZ】

   信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。

5. 反向不归零编码【NRZI】

   在NRZI编码中，信号电平翻转代表逻辑"0"，信号电平保持不变代表逻辑"1"。如果前一个比特是"1"，并且下一个比特也是"1"，则信号电平保持不变；如果下一个比特是"0"，则信号电平会发生反转。

6. 4B/5B编码

   比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效

   率为80%。只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留。

调制解调器的调制：

2ASK调幅【0没有幅度，1有幅度】

2FSK调频【0对应低频，1对应高频】

2PSK调相【0对应正弦波，1对应余弦波】

例题：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少？

调幅+调相（QAM）解答：4×4=16种码元，对应2^4四种比特，1200×4=4800bit/s

模拟数据编码为数字信号【前瞻知识点：音频数字化需要将模拟音频信号通过采样，量化转成计算机内部可处理的二进制数字离散序列】

最常见的对音频信号进行编码的脉码调制PCM，达到最高保真的水平，其中主要分为三步：

1. 抽样：每个时间周期 内，进行电压和电平的抽样 【离散点】，要求是采样定理：f采样频率≥ 2f信号最高频率
2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化 为对应的数字值，并取整数 ，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3. 编码：把量化的结果转换 为与之对应的二进制编码。

五、数据交换方式

在计算机网络世界中，由于网络并不直接相连切不同主机的分布很分散，从主机A到主机C需要经过类似于邮局B的网络路由器或交换机来进行数据的转发和传输，而网络层主要的功能就是保证数据包从发送端准确无误的发送到目标主机。

数据交换的几种方式：

• 电路交换
  
  原理 ：就像打电话，先拨号建立一条从源到目的地的专用物理连接（通道），一旦连接建立起来，双方就可以持续、稳定地通话。数据在网络中是以连续流的形式传输的
  优点 ：由于通信双方基于建立的物理通路，因此时延小且固定，服务质量Qos高，全双工通信，适合实时性要求高的语音和视频通信
  缺点：线路的利用率不高，不传输也不能被其他用户使用，灵活性差，出现故障需要重新拨号建立连接，无法发现和纠正传输差错，无法进行差错控制，建立连接需要时延

• 报文交换

  

原理 ：类似于邮局寄信，每个完整的"信件"（报文）携带目标地址，依次经过各个交换节点转发至目的地，不需要预先建立连接
优点 ：类似于电子邮件，无需建立连接，无建立连接时延，动态分配线路，多个报文可共享信道
缺点：实时性差，时延大且不稳定，需要网络节点提供足够的缓冲区

• 分组交换

  

原理 ：将大数据分割成若干个小的数据包（分组），每个分组都有源地址、目的地址等信息，独立进行路由选择，并在接收端重新组装成原始数据。
优点 ：线路利用率高，多路复用多个分组可共享信道，无建立时延，用户随时发送分组，分组较小，适用于计算机之间的突发式数据通信，因为较小的分组可以更快的通过网络，同时采用流水线式处理，加快整体传输速度，缓冲区因为分组大小确定也固定易管理。
缺点：分组失序、丢失和重复问题，那接下来的去重排序就需要额外耗时，每个分组的头部信息增加了网络开销

具体什么场景下使用何种方式？
电路交换 适用于需要连续、低延迟服务的应用，传送数据量大，且传送时间远大于呼叫
报文交换 更适合于异步、大量数据传输但对时延要求不高的场景，当端到端的通路有很多段的链路组成时
分组交换则是一种更为通用、高效且灵活的方式，广泛应用于现代互联网和其他数据通信网络中。适合于计算机之间突发式的数据通信。

六、物理层介质和设备

在整个数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质分为导向性传输介质 和非导向性传输介质

导向性传输介质：

1. 双绞线

   两根按一定规则并排绞合的铜导线组成，绞合的目的是降低相邻导线间的电磁干扰。

   优点是常用且造价便宜，可以应用于模拟传输和数字传输。

   缺点是距离过长时，数字传输要中继器整形失真数据，模拟信号要用放大器放大衰减信号。

2. 同轴电缆

   由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层组成。50Ω基带同轴电缆【局域网】用来传送基带数字信号，75Ω宽带同轴电缆【有线电视】用来传送宽带信号。

   优点是抗干扰能力强传输距离更远，但是造价也更贵。

3. 光纤

   光导纤维通过通过光脉冲【有-1，无-0】来进行通信，又分为单模光纤和多模光纤。

   光纤的特点是传输损耗小，体积小，重量轻。远距离性价比高，抗雷电和电磁干扰性能好。安全性高，不易被窃听或截取数据。

非导向性传输介质：无线电波、微波、红外线、激光

物理层设备之中继器：

1. 信号传输损耗：信号在传输过程中会因为损耗而逐渐衰减，当衰减到一定程度时，会导致信号失真，进而引起接收错误。
2. 中继器功能：中继器可以对衰减的信号进行再生和放大，保持信号与原始数据相同，以此来增加信号的传输距离，延长网络的长度。

物理层设备之中继器：

对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。