计算机网络 第二章 总结

2.1 物理层的基本概念

物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性：

• 机械特性 引线数目，引脚数量
• 电压特性 电压范围，传输速率，距离
• 功能特性 某一电平表示何种意义
• 过程特性 规程 时序

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

码元：用波形表示数字信号，代表不同离散数值的基本波形(例如4进制码元 表示有4个高低不同的电(4种状态))。 如下图：

$$码元传输速率(波特率) = 单位时间所传输的码元个数(脉冲个数，信号变化次数)$$ $$信息传输速率 = 一个码元所携带的数据量(log(_2进制数)) \times 码元传输速率$$

波特率与进制没有关系

2.2.2 有关信道的几个基本概念

$$信道 \begin{cases} 传输信号：模拟信道(传送模拟信号)、数字信道(传送数字信号) \\\\ 传输介质：无线信道、有线信道 \end{cases}$$

• 单工通信：一个方向(一条信道)
• 半双工通信：不能同时发送或者接收(两条信道) 回合制太草
• 全双工通信：同时发送和接收信息(两条信道)

两种数据传输方式

$$传输方式 \begin{cases} 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离 \\\\ 并行传输：速度快，费用高，适合近距离 \end{cases}$$

码间串扰：频率太高(码元传输太快) 分不清界限

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$Hz$。

$$理想低通信道下的极限传输速率 = 2Wlog_2V \ (b/s)$$

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

基带信号(数字信号)：没有经过调制的电信号(直接来自信源的信号)，包含了较多的低频成分或者直流成分。许多信道并不能传输，所以需要进行调制。而且占用了整个带宽，效率较低。

1. 基带调制
   把一种数字信号转换为另一种数字信号，又叫做编码
   常用编码方式：
   1. 不归零码：不能处理连续的0和1，需要同步
   2. 归零码
   3. 曼彻斯特编码
   4. 差分曼彻斯特编码(和上面的都不带电，不需要同步信号 )
   5. 反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
   6. 4B/5B 编码，效率只有80%
      1. 带通调制
         把原本低频成分移到较高的频段，以便在信道中传输
         • 调幅 AM
         • 调频 FM
         • 调相 PM

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）。

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）

数据传输

模拟数据转换为数字信号(PCM脉码调制)： 抽样、量化、编码
采样定理：$f_{采样频率} ≥ 2f_{信号最高频率}$

2.2.3 信道的极限容量

波特率： $B = \frac{1}{T}$

• T = 信号码元的宽度
  传码率：$S = Blog_2L$
• T = 一个数字脉冲信号的宽度
• L = 一个码元所取的离散值个数

$$信噪比(dB) = 10 log_{10}(S/N) (dB)$$

题目中直接给出数据不需要求$S/N$，如果给出信噪比$dB$，还需要求出S/N
香农公式： $C = W log_2(1+S/N) \ \ (bit/s)$

• C = 信道的极限信息传输速率
• W = 信道的带宽

由香农公式表明：

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。
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。
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。
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。

2.3物理层下面的传输媒体

传输媒体不是物理层，有时候将传输媒体称为第0层(因为传输媒体并不知道传输的信号的意义)

2.3.1 引导型传输媒体

1. 双绞线

   

   ​ 左边是交叉线，右边是直通线
   ​ 接口：MDI和MDIX
   注意： 接口不同需要用直通线，接口相同需要用交叉线(查了一下，现在路由器都是
   ​ Auto MDI/MDIX了，应该用直通线就好了，以前路由端口和电脑相同要用交叉线)

   线序：

   

1. 同轴电缆
   分为基带同轴电缆，宽带同轴电缆

2. 光缆

带宽非常大
光纤分为：多模光纤，单模光纤
优点：

  1. 传输损耗小，中继距离长
      2. 抗雷电和电磁干扰性能好
      3. 无串音干扰，保密性好
      4. 体积小，重量轻

2.3.2 非引导型传输媒体

1. 无线传输所使用的频段很广。
2. 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
3. 微波在空间主要是直线传播。
   1. 地面微波接力通信
   2. 卫星通信

2.4 信道复用技术

1. 频分复用
2. 时分复用
3. 统计时分复用
4. 波分复用
5. 码分复用 (CDMA)

Misc

物理层设备有：

1. 中继器：
   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。(再生数字信号)
   5-4-3 规则：
2. 集线器(Hub)：多端口的中继器
   不能分割冲突域，平分带宽