计算机网络（二）——物理层

📢目录

• 前言
• 物理层概念
• 数据通信
  • 俩种数据传输方式
• 码元，波特，速率，带宽
• 俩个定理——奈氏准则，香农定理
  • 失真
  • 码间串扰
  • 奈氏准则
  • 香农定理
• 编码和调制
  • 信道
  • 编码与调制
• 物理层的传输介质
  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
• 物理层的几个设备
  • 中继器
  • 集线器（多个中继器）
• 最后

前言

计算机网络，操作系统，数据结构，算法是计算机专业所必须要学的4件套，本文将详细的叙述计算机网络——物理层的相关知识，由于篇幅原因，打算分为4章节进行写作，建议收藏后慢慢品读

😁往期推荐： 计算机网络(一)——概述

物理层概念

物理层主要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。

任务：确定与传输媒体端口有关的特性

1. 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 务、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
2. 电气特性： 规定传输二进制位的时候，线路上的电压范围，阻抗匹配，传输速率和距离限制
3. 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
4. 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信

模型如下： 下图为有猫的情况：

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通信的目的：传送信息 数据：传送信息的实体

数字信号&&模拟信号

数字信号：代表信息的参数取值是离散的

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模拟信号：代表信息的参数取值是连续的

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信源：产生和发送数据源头 信道：信号的传输枚举（包括发送和接收）

俩种数据传输方式

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           串行传输：速度慢，费用低，远距离 传输方式            并行传输：速度快，费用高，近距离（例如：电脑的并口）

码元，波特，速率，带宽

概念知识：

码元是指用一个固定市场的信号波形（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。

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位事件内传输的数据量。 可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

1.码元传输速率： 又叫码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等。 它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(或称脉冲个数、信号变换次数），单位为波特（Baud），波特是速度单位。 1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。 即1s传输多少码元） 2.信息传输速率： 又叫信息速率、比特速率，表示单位事件内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位为比特/秒（b/s）。 （即1s传输多少比特）

码元传输速率和信息传输速率的关系： 若一个码元携带n比特的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为M x n 比特/秒。

带宽： 表示在单位事件内从网络中的某一点道另一点所能哦通过的“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，单位为b/s。

俩个定理——奈氏准则，香农定理

失真

这个有点像买家秀和卖家秀

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由于受到现实中的影响——>

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(接受端可以识别）

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（接受端不可以识别）

影响失真的因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪音干扰
4. 传输媒体质量

码间串扰

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4000hz震动太快，导致不能准确识别，从而引发码间串扰

奈氏准则

奈氏准则：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输率为2WBaud。其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍），则极限数据率为：理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V (单位：b/s)

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由奈氏准则，可以得出以下结论：

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（是指在接收端收到的信号的波形失去了码元之间的清晰界限），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，也就是说没有对一个码元可以对应多少个二进制位作出限制。
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，这就是需要采用多元制的调制方法。

例题1：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4中振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？

解答：采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则有16种不同的组合，则1个码元可携带4bit信息量， 根据奈氏准则：最高信息传输速率=2WBaud=2✖3kHz=6000Baud=6000码元/s✖4bit/码元=24000b/s

香农定理

香农定理给出了信道信息传送速率的上限（比特每秒）和信道信噪比及带宽的关系。香农定理可以解释现代各种无线制式由于带宽不同，所支持的单载波最大吞吐量的不同。

在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，信道容量Rmax与信道带宽W，信噪比S/N关系为： Rmax=W*log2(1+S/N)。注意这里的log2是以2为底的对数。

类比：城市道路上的汽车的车速（业务速率）和什么有关系？

除了和自己车的动力有关之外，主要还受限于道路的宽度（带宽）和车辆多少、红灯疏密等其他干扰因素（信噪比）， 俗话说：“有线的资源是无限的，而无线的资源却是有限的。”无线信道并不是可以任意增加传送信息的速率，它受其固有规律的制约，就像城市道路上的车一样不能想开多快就开多快，还受到道路宽度、其他车辆数量等因素影响。这个规律就是香农定理。

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。

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编码和调制

信道

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。

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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信道上传 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

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**)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)

编码与调制

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物理层的传输介质

双绞线

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双绞线是古老，又最长用的传输介质，它由俩根采用一定规则并排绞合，相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻线的电磁干扰，原因如下：

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电磁波产生后又抵消

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。

同轴电缆

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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。

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线要好，被广泛用于传输较高的速率数据，其传输距离更远，但价格较双绞线更贵

光纤

上面俩个都是电信号的传播，但是在光纤中是光脉冲在传播，所以光纤通信系统的带宽远远大于目前其他通信系统的带宽

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光纤的组成： 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折射率。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。

由于构造的特殊：实现超低损耗，传送超远距离

光电效应：

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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。

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物理层的几个设备

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。

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**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，它仅作用于信号的电气部分，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: 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（多个中继器）

一般是星形拓扑结构

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作用：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）处于工作状况的端口上，增加信号数据的传输距离，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

最后

计算机网络物理层，就到此结束了，内容很多，还请彦祖们三连收藏，细细品读。