文章目录
[1. 传输媒体](#1. 传输媒体)
[2. 物理层协议的主要任务](#2. 物理层协议的主要任务)
[3. 物理层的任务](#3. 物理层的任务)
[1. 导引型](#1. 导引型)
[2. 非导引型](#2. 非导引型)
[1. 串行、并行](#1. 串行、并行)
[2. 同步、异步](#2. 同步、异步)
[3. 单工、半双工、全双工](#3. 单工、半双工、全双工)
[1. 基本概念](#1. 基本概念)
[2. 编码](#2. 编码)
[3. 调制](#3. 调制)
[1. 基本概念](#1. 基本概念)
[2. 奈氏准则](#2. 奈氏准则)
[3. 香农公式](#3. 香农公式)
前言
学期马上结束，开始了关于计算机网络的复习，以博客的形式对所学知识进行总结，方便自己复习 and 借此向大家分享！
一、基本概念
1. 传输媒体
导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤
非导引型传输媒体：微波通信
2. 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什么意义
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
3. 物理层的任务
怎么样在各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，进而给数据链路层提供透明传输的服务
**透明传输：**数据链路层看不见也无需看见物理层是怎么传输数据比特流的，只需要接收物理层传输数据比特流的服务即可
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，而不需要考虑具体的传输媒体
二、传输媒体
注意：传输媒体不属于计算机网络体系结构中的任意一层
1. 导引型
导引型------电磁波被引导沿着固体媒介传播
同轴电缆
同轴电缆有两种：
基带同轴电缆（50Ω）：数字传输 ------ 过去曾用于局域网
宽带同轴电缆（75Ω）：模拟传输 ------ 目前主要用于有线电视
（同轴电缆较贵且布线不够灵活方便，随着集线器的出现，在局域网领域逐渐被双绞线取代）
双绞线
两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，按照一定规则绞合起来
STP相较于UTP，多了一个具有屏蔽功能的金属层
绞合的作用：
- 抵御部分来自外界的电磁波干扰
- 减少相邻导线的电磁干扰
光纤
由于光纤非常细，所以需要将其做成结实的光缆，一根光缆少则包含一根光纤，多则可以包含数百根光纤
光纤的优点：
- 通信容量大（25000 ~ 30000GHz的带宽）
- 传输损耗小，远距离传输时更加经济
- 抗雷电和电磁干扰性能好，在大电流脉冲干扰的环境下很重要
- 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
- 体积小，重量轻
光纤的缺点：
- 割接需要专用设备
- 光电接口价格较贵
光在光纤中的传输：
当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角；
因此，如果入射角足够大，大于某临界值时，就会出现全反射，即光碰到包层，就会反射回纤芯
多模光纤：
- 由于色散（模式、材料、波导色散），光在多模光纤中传输一定距离后必然导致信号失真（脉冲展宽），因此多模光纤只适合近距离传输（建筑物内）
- 发送光源：发光二极管；接收检测：光电二极管
单模光纤：光纤直径减少到只有一个光的波长
- 没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，正好抵消
- 单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高
- 发送光源：激光发生器；接收检测：激光检波器
电力线
使用实例：电力线电话
2. 非导引型
无线电波、微波、红外线、可见光
三、传输方式
1. 串行、并行
串行传输：一个比特一个比特依次传输 ------ 只用一根传输线路 ------ 例：计算机网络中主机和主机的远距离传输
并行传输：多个比特同时传输 ------ 需要n条传输线路 ------ 例：计算机内部的结构单元通过总线的数据传输
2. 同步、异步
同步传输：
- 数据以稳定比特流的形式进行传输，字节之间没有间隔
- 接收方在比特信息的中间时刻进行检测，但由于不同设备的时钟频率不同，由于时钟误差累积，就会导致检测错位
- 所以，收发双方需要实现时钟同步：
-
- 外同步：通信双方之间单独添加一条时钟信号线
-
- 内同步：发送方将时钟同步信号编码到传输数据中一起发送（例：曼彻斯特编码）
-
异步传输：以字节为单位进行传输
- 通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位
- 异步传输：字节之间异步，字节内的每个比特同步
3. 单工、半双工、全双工
单工通信（单向通信）：通信双方只有一个数据传输方向 ------ 例：无线电广播 ------ 需要一条信道
半双工通信（双向交替通信）：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行 ------ 例：对讲机 ------ 需要两条信道
全双工通信（双向同时通信）：通信双方可以同时发送和接收信息 ------ 例：电话 ------ 需要两条信道
四、编码和调制
1. 基本概念
- 消息：计算机需要处理和发送的文字、图片、音频、视频等
- 数据：消息的实体
- 信号：数据的电磁表示
- 基带信号：信源发出的原始信号
- 数字基带信号
- 模拟基带信号
2. 编码
------> 在不改变信号性质的前提下，仅对信号的波形进行改变
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，表示不同离散数值的基本波形
常用编码：
不归零编码
整个码元时间内，不会出现零电平
接收端如何区分码元------>通信双方做到绝对的同步------>需要一根额外的传输线传输时钟信号
归零编码
每个码元传输结束后，信号都要归零
接收方只用在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号
用归零的方式将时钟信号编码在数据内部 ------ 自同步编码
缺点：归零的片段浪费了数据带宽
曼彻斯特编码
码元中间时刻会发生跳变，跳变既表示时钟，又表示数据
向上跳变和向下跳变分别表示0/1 可自行规定
如果题目中：10BaseT ------ 曼彻斯特编码
10：10Mb/s
Base：基带传输
T：双绞线
差分曼彻斯特编码
跳变仅代表时钟，码元开始处电平是否变化来表示数据
相比于曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率
3. 调制
------> 把数字基带信号的频率范围搬至较高的频段，并转为模拟信号
基本调制方法
调幅（AM）
无载波输出------>0
有载波输出------>1
调频（FM）
频率 f1 ------> 0
频率 f2 ------> 1
调相（PM）
初相为0° ------> 0
初相为180° ------> 1
基本调制方法：一个码元只能包含一个比特信息
混合调制
------> 使一个码元可以包含多个比特信息
------> 频率和相位是相关（频率是相位随时间变化的变化率），频率和相位一次只能调制其中一个
正交振幅调制QAM
------> 相位 + 振幅一起调制
例：QAM - 16
- 12种相位
- 一个相位有1或2个振幅
- 16个码元（16种波形）------> 一个码元可以表示4个比特位（0000 - 1111）
- 码元和比特的对应关系采用格雷码 ------>任意两个相邻码元只有一个比特位不同
五、信道的极限容量
1. 基本概念
- 失真：信号在传输过程中发生扭曲和变化
- 失真原因：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
- 码间串扰：信号波形失去了码元之间的清晰界限
- 信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差
2. 奈氏准则
------> 在假定的理想情况下，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 码元/秒
- 理想带通信道的最高码元传输速率： W Baud = W 码元/秒
W ------> 信道带宽
Baud ------> 波特 ------> 码元/秒
码元传输速率 = 波特率 = 调制速度 = 波形速率 = 符号速率
由奈氏准则可知：
- 在任何信道，码元传输速率存在上限，超过这个上限，会出现严重的码间串扰
- 信道频带越宽（W越大，即可通过的信号高频分量越多）可用更高的码元传输速率
- 奈氏准则仅给出了码元传输速率的限制
- 信道实际的最高码元传输速率 << 奈氏准则的上限值
- 提高比特率 ------> 一个码元携带更多比特 ------> 多元制
那....信号的传输速率能不能无限制的提高？------> NO！ 还受限于实际信号在信道传输时的信噪比
3. 香农公式
信噪比
- 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声随机产生，会使接收端对码元的接收产生错误，噪声的影响是相对的，信号越强，噪声影响就相对较小，信噪比就尤为重要！
- 信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率 = S / N （单位：分贝 dB）
- dB和S/N的换算：
香农定理
------> 在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率存在上限
香农公式
在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：
其中：
- 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功率
- N：信道内的噪声的平均功率
- S/N：信噪比
由香农公式可以看出：
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越大
- 对于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
- 只要信息的传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定能找到某种方法实现无差错的传输
- 实际信道的信息传输速率要 << 香农公式得到的传输速率，因为香农公式没有考虑各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等因素
根据奈氏准则和香农公式，想要提高信息的传输速率：
- 采用多元制
- 提高信道中的信噪比