计算机网络（王道考研）笔记个人整理——第二章

第二章

物理层主要任务：确定与传输媒体有关的一些特性

机械特性：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

某条线的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线用途

规格特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

经典数据通信模型

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，是数据再传输过程中的存在形式（数字信号：信息参数取值是离散的；模拟信号：信息参数取值是连续的）

信源

信宿

信道：信号的传输媒介。一般表示某一个方向传送信息的介质。一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种通信方式

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

半双工通信：通信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，需要俩条信道

全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要俩条信道

两种数据传输方式

传输方式：

1. 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
2. 并行传输：速度快，费用高，适合近距离（计算机内部数据传输）

码元、速率、波特、带宽

码元

码元指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。

速率

速率也叫数据率，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表示。

1）码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化次数）

别名：码元速率，波形速率，调制速率，符号速率等

单位：波特（码元/秒）

可以为多进制，也可以是二进制，但码元速率和进制数无关。

2）信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数）

别名：信息速率，比特率

单位：比特/秒（b/s）

带宽（b/s）

表示在单位时间内从网络中某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的数据能力

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快

奈氏准则和香农定理

失真：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

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差

奈氏准则（奈奎斯特定理）

定义：在理性低通条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W为信道带宽，单位是Hz

1.在任何信道中，码元传输速率有上限

2.信道频带越高，就可以用更高速率进行码元有效传输

3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但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制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，即采用多元制的调制方法

香农定理

定义：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

噪声存在于所有电子设备和通信信道中。信号强，那么噪声影响相对较小

信噪比（S/N）=信号的平均功率/噪声的平均功率

信噪比（dB）=10log10（S/N） 数值等价

推论：

1.信道带宽或信道信噪比越大，信息极限传输速率越高

2.传输带宽和信噪比一定，信息传输速率上限就确定了

3.只要信息传输速率低于极限传输速率，就一定能找到某种方法实现无差错传输

4.香农定理得出的为极限传输速率，实际信道能到达的传输速率要比它低不少

编码与调制

信道上传送的信号：

1.基带信号（近距离）：来自信源，将数字信号1和0用俩种不同电压表示，再送到数字信道上传输（基带传输）。直接表达要传输的信息的信号

2.宽带信号（远距离）：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传输（宽带传输）。 把基带信号的频率范围经过载波调制，搬移到较高的频段以便传输。

编码：数据转成数字信号

归零编码【NRZ】：易实现，无检错功能。无法判断码元开始和结束，收发双方难以保持同步
曼切斯特编码
差分曼切斯特编码（局域网传输，抗干扰性强）：若码元为1，前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若为0，则相反。码元中间有一次电平跳转，可以实现自同步。
归零编码【RZ】：信号电平在一个码元之内都要恢复到零
反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，不变表示1
4B/5B编码：比特流中插入额外比特，用五个比特编码四个比特的数据。编码效率为80%。

  * 音频数字化典例：对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM），包括三步：抽样、量化、编码 
1. 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。为了无失真，要使用采样定理：f采样频率>=2f信号最高频率
2. 量化：把抽样取得的电平辐值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数
3. 编码：把量化结果转化为与之对应的二进制编码

调制：数据转成模拟信号

四种方法：调幅。调频。调相。正交调幅调制。

物理层传输介质：数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

传输介质也称传输媒体，传输媒介。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体不知道所传输的信号代表什么意思。

分为导向性（电磁波被导向沿着固体媒介传播）和非导向型（自由空间，即空气，真空，海水）

导向性传输介质

双绞线

组成：双绞线由俩根采用一定规则并排搅合的、相互绝缘的铜导线组成。

特点：价格便宜，传输距离在几公里到几十公里

搅合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

分类：屏蔽双绞线（STP）：为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线外再加上一个金属丝编成的屏蔽层

如果距离太远，模拟传输：用放大器放大衰减的信号；对于数字传输：用中继器将失真的信号整形

同轴电缆

组成：由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外壳构成。

分类：按特性阻抗数值不同，分为50欧同轴电缆和75欧同轴电缆。

50欧同轴电缆：主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，在局域网中得到广泛应用

75欧同轴电缆：主要用于传送宽带信号，又称宽带同轴电缆，主用于有线电视系统

特点：抗干扰性较双绞线好，广泛用于传输较高速率的数据，传输距离远，价格更贵

光纤

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲进行通信。

组成：主要有纤芯（实心）和包层构成

特点：带宽远大于其他传输媒体，通信量大；传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济；抗雷电和电磁干扰性好；无串音干扰，保密性好，不易窃听或截取数据；体积小，重量轻；

若入射角足够大，就会出现全反射，因此损耗小

分类：多模光纤，单模光纤。

非导向性传输介质

无线电波（信号向所有方向传播）：较强穿透能力，远距离传输。应用：广泛用于通信领域（手机通信）
微波（信号固定方向传播）：通信频率高，频段范围宽，因此数据率高。应用：地面微波接力通信，卫星通信（优点：通信容量大、距离远、覆盖广、广播通信和多址通信。缺点：传播时延长，受气候如强风，太阳黑子爆发，日凌影响大，误码率高，成本高。）
红外线、激光（信号固定方向传播）：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，再在空间传播

物理层设备

中继器

功能（再生数字信号）：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与元数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络长度

中继器两端：俩端的网络部分是网段，是用于完全相同的两类网络互连，且速率相同。仅作为电气部分，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，也可不同。中继器两端一定要是同一个协议（不会存储转发）

5-4-3规则：5网段，4物理层设备，3工作站（计算机）。网络标准对信号的延迟范围作了具体规定。中继器只能在规定范围进行，否则会网络故障。

集线器（多口中继器）

功能：（再生，放大信号）对信号进行再生放大转发。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

因为集线器不能分割冲突域，连在集线器上的工作主机平分带宽