计算机网络第二章 物理层（王道考研笔记）
目录
2.1 物理层的基本概念
2.2 数据通信基础知识
2.2.1 典型的数据通信模型
2.2.2 三种通信方式
2.2.3 两种数据传输方式
2.3 码元、速率、波特、带宽
2.3.1 码元
2.3.2 速率、波特、带宽
2.4 奈氏准则和香农定理
2.4.1 失真
2.4.2 奈氏准则
2.4.3 香农定理
2.4.4 奈氏准则和香农定理的区别
2.5 基带信号和宽带信号
2.6 编码与调制
2.6.1 数字数据编码为数字信号
2.6.2 数字数据调制为模拟信号
2.6.3 模拟数据编码为数字信号
2.6.4 模拟数据调制为模拟信号
2.7 物理层的传输介质
2.7.1 导向性的传输介质
2.7.2 非导向传输介质
2.8 物理层的设备
2.8.1 中继器
2.8.2 集线器（多口中继器）
2.1 物理层的基本概念
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：确定与传输媒体接口有关的一些特性 ---> 定义标准
- 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。
- 电气特性 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。
- 功能特性 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。
- 规程特性 (过程特性)定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
2.2 数据通信基础知识
2.2.1 典型的数据通信模型
通信的目的是传送信息。
数据通信相关术语：
数据：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。
数字信号：代表消息的参数取值是离散的。
模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
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。
2.2.2 三种通信方式
从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：
- 单工通信 只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
- 半双工通信 通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。对讲机就是采用这种通信方式。
- 全双工通信 通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
2.2.3 两种数据传输方式
2.3 码元、速率、波特、带宽
2.3.1 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，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。
2.3.2 速率、波特、带宽
1baud = 1码元 / s
例题：
2.4 奈氏准则和香农定理
2.4.1 失真
影响失真程度的因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
失真的一种现象---码间串扰：
2.4.2 奈氏准则
例题：
2.4.3 香农定理
例题：
2.4.4 奈氏准则和香农定理的区别
例题：
2.5 基带信号和宽带信号
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)
2.6 编码与调制
2.6.1 数字数据编码为数字信号
（1）非归零编码【NRZ】
（2）归零编码【RZ】
（3）反向不归零编码【NRZI】
（4）曼彻斯特编码
（5）差分曼彻斯特编码
2.6.2 数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
2.6.3 模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步;抽样、量化、编码。
- 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：
- 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。
- 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
2.6.4 模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。
2.7 物理层的传输介质
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
2.7.1 导向性的传输介质
1. 双绞线
双绞线是古老、又最常用的传输介质，它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。
为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP)。
双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
2. 同轴电缆
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构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
同轴电缆Vs双绞线：
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
3. 光纤
光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10^8MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤主要由纤芯(实心的!)和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的析射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
光纤的特点:
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2.抗雷电和电磁干扰性能好。
3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
4.体积小，重量轻。
2.7.2 非导向传输介质
2.8 物理层的设备
2.8.1 中继器
诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用干信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
中继器两端的网段一定要是同一个协议。(中继器不会存储转发，傻)
5-4-3规则（5个网段、4个中继器、3个段可以挂计算机）：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
2.8.2 集线器（多口中继器）
再生，放大信号
集线器的功能：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。
