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计算机网络期末复习笔记（并不犯困版+大白话版）-CSDN博客
前期理解：
物理层是网络体系结构中的最底层，为数据链路层提供服务。
主要讲几个内容：
- 物理层的作用：
把比特流变成电信号、光信号、无线信号等，送进介质中传输
它主要是考虑 如何能在 连接计算机的各种传输介质上 传输数据比特流，而不是考虑具体的传输介质和通信方式。
-
物理层的主要任务: 规定 "插头长什么样、每根线干什么、电平怎么表示、通信步骤怎么走"。
确定与 传输介质 接口的一些特性：
->
机械特性(跟接口所用的接线器有关)
电气特性(电压范围)
功能特性(电压的意义)
过程（规程）特性(过程顺序)
-
物理层关键词
-
接口
-
信号
-
传输介质
-
编码/调制
-
速率
-
容量
一、数据通信系统模型
•发送器------编码、调制
•接收器------解码、解调
数据通信常用术语：
•消息和数据、信号------数据是运送消息的实体（载体）；
信号 (signal)是数据的电气的或电磁的表现。
•模拟信号和数字信号
•波特率、比特率
•信道：单工、半双工、全双工通信
•基带信号和带通信号
二、编码+调制
编码 = 直接把 0/1 画成波形
调制 = 用载波去装载信息
2.1编码（基带调制）
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主要用于基带传输
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适合近距离
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把比特直接映射成电信号波形
-
- 不归零编码
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用电平直接表示 0 和 1
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简单，但容易出现同步问题
- 归零编码
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每个比特结束后回到 0
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便于分隔，但效率低
- 曼彻斯特编码
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位中心跳变
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有自同步能力
-
考试常考：中间跳变表示时钟信息
- 差分曼彻斯特编码
-
利用 位开始边界 是否跳变来表示0或1
-
也有自同步能力
2.2调制
-
主要用于带通传输
-
适合远距离
-
用高频载波承载信息
调制部分的逻辑：调制不是"随便换个波形"，而是在载波上改变某个参数：
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调幅
- 改振幅
-
调频
- 改频率
-
调相
- 改相位
-
正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
-
振幅和相位一起改
-
目的：提高传输效率
-
这里的逻辑线是： 为了提高每个码元能携带的信息量，就让一个码元对应多个比特。
所以调制部分和"速率"直接有关。
-
三、比特率、波特率、信号状态数
- 比特率R
- bit/s
- 波特率B
- 每秒传多少个码元
-
信号状态数M
- 一个码元有多少种可能状态
-
关系：
-
每码元携带的比特数 (n) =
log2( M 信号状态数) -
R 比特率 = B 波特率 × n 每码元比特数
->R 比特率 = B 波特率 × log2( M 信号状态数 )
提高信道速率的一种办法，就是提高每个码元携带的 bit 数。
例题：
例题：2011统考真题】若某通信链路的数据传输速率为2400b/ s ,采用4相位调制,则该链路的波特率是( )。
A .600Baud B .1200Baud C .4800Baud D .9600Baud
题目已知
数据传输速率 (R) = 2400 \text{ b/s}
调制方式 = 4 相位调制（一个码元的状态数 M = 4）
计算过程：
码元携带的比特数 (n)：
n = \log_2(M)
n = \log_2(4) = 2 \text{ bits/baud}
每个码元需要携带2比特，一个比特有0/1两种表示->所以才能确保一个码元能4个状态
1 个比特只有 2^1 = 2 种状态（即 0 或 1）。
2 个比特组合起来，有 2^2 = 4 种状态（即 00, 01, 10, 11）。
波特率 (B)：
B = R / n
将数据传输速率代入公式：B = 2400 \text{ b/s} / 2 = 1200 \text{ Baud}。
四、信道极限容量
因为现实中的信道不是理想的，速率不是无限的。
限制信道速度的两个因素：
-
带宽
-
信噪比
于是出现两个公式，它们分别适用于不同前提：
-
没噪声，先看奈奎斯特
-
有噪声，先看香农
1. 奈奎斯特公式奈氏准则(奈奎斯特定理)：
在假定的理想条件（无噪音情况）下，信道的极限信息传输速率C为：
C = 2W log2N (bit/s)**
其中：W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；N为信号电平个数
-
讨论的是：带宽有限时，码元速率上限是多少
-
带宽越大
-
信号状态数越多
-
可传速率越高
-
2. 香农公式：
在高斯白噪声干扰下，信道的极限信息传输速率 C 为：
C = W log2(1+S /N) (bit/s)
其中： W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
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。
-
讨论的是：在噪声条件下，信道理论最大容量是多少
-
信噪比越高
-
容量越大
-
五、传输介质
这一部分其实是在回答"信号跑在哪儿"
介质主要分两大类：
有线介质
-
双绞线
•接口类型：RJ-45
•分类：UTP（非屏蔽双绞线）和STP（屏蔽双绞线）
•标准：EIA/TIA-568B
•绞合线类别：3类（10Mbps，100m）、5类（100Mbps，100m）、超5类（1Gbps，100m）、6类（10Gbps，55m）、6A类（10Gbps，100m）......
无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。
双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。
双绞线的制作：直通线和交叉线的区别
###### 同轴电缆•分类：同轴粗缆 和 同轴细缆
•接口类型：同轴粗缆是AUI，同轴细缆是BNC
•同轴电缆因为布线困难，在现在的计算机网络中被双绞线取代，在有线电视网中还可以看到同轴电缆。
- 光纤
•分类：单模光纤 和 多模光纤
•常用的三个波段的中心：850 nm，1300 nm，1550 nm，所有这三个波段都具有25000~30000 GHz 的带宽，通信容量非常大。
•传输距离：多模光纤可以传输在几百米之类 ，单模光纤可以传到几十公里甚至可达100公里。
•光纤通信系统的组成：
1）发送端：要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
2）光源：发光二极管，半导体激光器等。
3）接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。
无线介质
- 各种无线频段
六、复用
当一条传输系统里有很多用户、很多信号时，不能一人一根线无限铺，所以要把多路信号放到同一条链路里传输。
这就是复用。
复用的本质，是"共享同一条物理资源，但通过不同维度把多路信号区分开"。
四种复用分别是：
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时分复用 TDMTime Division Multiplexing
- 不同时间段给不同用户
-
频分复用 FDM Frequency Division Multiplexing
- 不同频率给不同用户
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码分复用 CDM Code Division Multiplexing
- 不同码片序列区分用户
-
波分复用 WDMWavelength Division Multiplexing**
- 不同波长的光同时传输
七、宽带接入技术
其实是在讲"物理层怎么接入家庭和用户"。
1. ADSL
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走电话线
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上下行不对称
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下行通常更快
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属于早期宽带接入方案
2. 光纤同轴混合网（HFC网）
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光纤 + 同轴电缆混合
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主干用光纤，用户接入用同轴
3. FTTx技术（Fiber to The ......）
- 光纤到各种位置
FTTC（curb路边）、FTTZ（zone小区）、FTTB（building大楼）、FTTF（floor楼层）、FTTO(office办公室）、FTTH（home家）、FTTD（desk桌面）......
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比如到楼、到户、到桌面等
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目标是让光纤尽量靠近用户
4. 无源光网络 PON (Passive Optical Network)
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无源光网络
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不需要在中间节点供电
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常见于光纤接入
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都是 PON 的典型形式
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EPON 更兼容以太网
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GPON 更强调多业务和 QoS
1.EPON
以太网无源光网络 EPON (Ethernet PON)：
在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入。与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。
2.GPON
吉比特无源光网络 GPON (Gigabit PON)：
采用通用封装方法 GEM (Generic Encapsulation Method)，可承载多业务，且对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性能比EPON好。成本稍高。
八、总结
物理层要解决的是：
把比特流变成适合介质传输的信号。
为了让接口统一，要规定机械、电气、功能、过程四个特性；
为了把比特传过去，要用编码或调制；
为了评价传输能力，要看带宽和信噪比，对应奈奎斯特和香农公式；
为了选择传输路径，要了解双绞线、同轴电缆、光纤等介质；
为了让一条链路承载多路通信，要用 TDM、FDM、CDM、WDM；
为了让用户接入网络，要有 ADSL、HFC、FTTx、PON 等宽带接入技术。