计算机网络——物理层、数据通信基础知识

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物理层基本概念

物理层是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。

主要功能：

• 构建数据通路：可以是一段或多段物理介质构造一条完整的数据传输通道；
• 透明传输： 让进行网络通信的各方不用管数据通路中具体的传输介质类型，相关标准以及通信协议的功能
• 传输数据：把数据按比特流的顺序从发送端通过物理层接口传送到接收端的物理层
• 数据编码：为了确保比特流能在对应的信道中正常通过 需要对数据编码、不同的传输介质所支持的数据编码类型不一样(如归零码、非归零码、曼切斯特码、差分曼切斯特码等）
• 数据传输管理：物理层具有一定的数据管理功能，如果基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等
• 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。

物理层最主要的任务：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，规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况

电器特性：

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，接口部分信号线的用途

规程特性：

（过程特性）定义各条物理物理线路的工作规程和时序关系 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

典型的数据通信模型

数据通信相关术语

通信的目的是传送信息 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符合序列 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:代表消息的参数是离散的 模拟信号：代表消息的参数是连续的 信源：产生和发送数据的源头 信缩：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

• 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

源系统

源点 作用：源点设备产生要传输的数据 例如从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流 源点又称为源站，或信源

​发送器 作用：编码源点生成的数字比特流 通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器 现在很多计算机使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器)

传输系统

• 在源系统和目的系统之间
  • 可以是简单的传输线
  • 也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统

三种通信方式

1.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 2.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 3.全双工通信 ：通信双方都可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

传输方式 串行传输 并行传输 ​

串行传输的特点：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 并行传输的特点：速度快，费用高，适合近距离用于计算机内部数据传输

码元

码元是指一个用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（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

k 进制码元——4 进制码元——>码元的离散有 4 个——>4 种高低不同的信号波形 00、01、10、11

速率、波特、带宽

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来表示

码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率、它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数）,单位是波特。1 波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元是多进制的，也可以是二进制的。但码元速率与进制数无关！ 1 波特 = 1 码元/每秒

信息传输速率：别名信息速率，比特速率、表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即 比特数) 单位是比特/秒(b/s)

关系：若一个码元携带 n bit 的信息。量,则 M Baud 的码元传输速率对应的信息传输速率为 M×n bit/s

带宽：表示在单位时间内从网络的一点到另一点所能通过的"最高数据率" 常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是 b/s

奈式准则

有失真但可识别

失真大无法识别

影响失真的因素： 1.码元传输速率 2.信号传输距离 3.噪声干扰 4.传输媒体质量 5.失真的一种现象——码间串扰

信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差 码间串扰——接收端收到的信号失去了码元直接清晰的界限的现象

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈式准则：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

理想低通信道上的极限数据传输率=2Wlog2V（b/s）几种码元/码元的离散电平数目

1.在任何信道中，码元传输的速率是上限的。若传输速率超过此上限，就会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.奈式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式住准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设每个码元能够携带更多个比特位的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有时候会很大，因此噪声会使接收端对码元的批判产生错误，但是噪声的影响是相对的。若信号越强，那么噪声影响相对较小，因此，信噪比就很重要。 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为 S/N,并用分贝（dB）作为度量单位 ： 信噪比（dB） = 10log10(S/N）数值等价 香农定理：在带宽受限且有噪声的情况信道中，为了不产生误差，信号的数据传输速率有上限值

基带信号与宽带信号

信道：

• 传输信号：模拟信号（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

信道上传送的信号

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 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基带信号

宽带信号：将基带信号进行调至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)。 在传输距离比较近时，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基带信号)

编码与调制

数据——>数字信号 编码 数据——>模拟信号 调制 数字数据——》数字发送器——》数字信号——编码 数字数据——》模拟信号——调制 模拟数据——PCM 编码器——>数字信号—》编码 数据——放大器调制器模拟信号——》调制

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：两端的部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的相连，且两个网段速率要相同。中继器之将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆线上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适与网段的数据。 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：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。

集线器（多口中继器）

集线器的英文称为“Hub”。“Hub”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于 OSI(开放系统互联参考模型)参考模型第一层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD（即带冲突检测的载波监听多路访问技术)介质访问控制机制。集线器每个接口简单的收发比特，收到 1 就转发 1，收到 0 就转发 0，不进行碰撞检测。 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，延迟网络的长度，不具备信号的定向传送能力，是个共享式设备。