计算机网络笔记2-物理层

物理层功能

• 物理层是网络体系结构中的最低层
• 物理层的功能是在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流
• 物理层的作用是尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
• 物理层 = 物理设备+传输介质+协议

物理层接口特性

• 数据终端设备DTE：具有一定数据处理和转发能力的设备
• 数据电路终结设备DCE：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，负责建立、保持和释放数据链路

标准化的DTE/DCE接口具有：

• 机械特性：说明接插件的形状、尺寸、插头数目等
• 电器特性：规定数据交换信号以及有关电路的特性
• 功能特性：说明某条线出现的某一电平的电压表示何种意义
• 规程特性：即通信协议，说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信基础

数字信号和模拟信号

• 模拟通信：传输模拟信号（正弦波）
• 数字通信：传输数字信号（方波）；为什么现代远距离传输都采用？因为无噪声累积

傅里叶分析

根据傅里叶分析，任何电磁信号可以由若干具有不同振幅、频率和相位的周期模拟信号（正弦波）组成。反过来，只要有足够的具有适当振幅、频率和相位的正弦波，就可以构造任何一个信号

信道带宽和信道容量

• 信道带宽：传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围
• 信道容量：一个信道的最大数据速率，每秒多少比特
• 受制于信道自身的物理材料特性

信道容量C与通频带H之间的定量关系

• 奈奎斯特定理

  $$\text{信道容量}C = Hlog_2V(\text{比特/秒})$$

  H，与介质有关；V，信号等级，即信号的状态数

• 香农信道容量公式（有噪声的情况下）

  若信道带宽为H，信道输出的信号功率为S，输出高斯噪声功率为N，则：

  $$C = Hlog_2(1+S/N)$$

  噪声（dB）为：

  $$10log_{10}{(S/N)}$$

• 若无说明有无噪声，则取两者最小值

• 例：噪声信道中，带宽为3K hz，信噪比为30dB，则：

  $$C = Hlog_2{(1+S/N)} = 3000log_2{(1+1000)}=30k b/s$$

区分三个速率

• 信道容量C：极限传播速度，信道传输信息的最大极限速率

• 信息传输速率（波特率和比特率）：

  • 波特率B：单位时间内传输的符号数：B=1/T

  • 比特率b：单位时间内所传输的信息量：若已知每个符号的平均信息k：

    $$K = log_2V$$

    则：

    $$b = B*K = Blog_2V\text{比特/秒}$$

• 信号传播速度（电信号速度）：光速的2/3

例：曼彻斯特编码，接收端采样两次才可得一个bit，即波特率是比特率的两倍

传输方式

数字通信和模拟通信：

以模拟信号来传送消息/以数字信号来传送消息

串行传输和并行传输：

• 串行传输：指数据在一个信道上按位依次传输，成本低，但收发之间必须实施同步
• 并行传输：指数据在多个信道上同时传输，成本高，终端装置和线路之间无需作时序变换

点到点传输/点到多点传输：

• 点到点：Internet中
• 点到多点：局域网中，但只能一台设备发送

单工、半双工和全双工：

• 单工：两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号
• 半双工：指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行
• 全双工：指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号，两根信道

异步传输和同步传输：

• 异步传输：收发双方不要求时钟同步，被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位
• 同步传输：数据块以帧作为整体传输，每一帧建立同步标志

基带传输和频带传输：

• 基带传输：未对载波调制的待传信号称为基带信号，适用于低速和高速两种情况
• 频带传输：指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制

数据编码技术

不归零编码

低电平表示“0”；高电平表示“1”

缺点：

• 难以分辨一位的结束和另一位的开始
• 发送方和接收方必须有时钟同步
• 若“0”或“1”连续出现，则直流分量将累加

容易产生传播错误

不归零反相编码

下一个比特是“1”则产生跳变

曼彻斯特编码

**原理：**每一位中间都有跳变，从低跳到高表示“0”；从高跳到低表示“1”

**优点：**每位中间的跳变既可以作为数据，也可以作为时钟，能够自同步

差分曼彻斯特编码

**原理：**每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”

**优点：**时钟、数据分离，便于提取

4B/5B编码

不归零编码的一个变种，数据流中每4个bit组成一个组合，并对应5个bit的编码

5B编码中至少有两个1，保证传输过程中至少发生两次跳变，这是在接收端提取时钟信号所必须的。