🐶物理层
通信基础
数据
传送信息的实体
信号
数据在传输过程中的存在形式，是数据的电气/电磁表现
码元
k进制码元：指用1个固定时长的信号波形表示1位k进制数字（该时长称为“码元宽度”）
⚠ 码元是数字信号的计量单位，而不是模拟信号的
⚠ 1个k进制码元可以携带多个bit的信息量，用k种不同高低的信号波形表示
数据传输方式
串行传输：逐个bit按照时间顺序传输 🡺速度慢、费用低、适合远距离
并行传输：多个bit通过多信道并行传输 🡺速度快、费用高、适合近距离
数字通信系统
数字通信系统的3大组成部分：信源、信道、信宿
信源：产生和发送数据的源头（通常为终端装置）
信宿：接收数据的终点（通常为终端装置）
信道：信号的传输媒介，用于表示向某个方向传送信息的介质。
信道的极限容量指的是信道的“最高码元传输速率”或“极限信息传输速率”
信道是一种逻辑部件，只要能传送信息就是信道，并不局限于电信号一种形式。就像一道桥梁，架起了信源和信宿。
信道是单向的路径，可以把它看作一个矢量。
因此信道的两个端点有不同的名字。一条通信线路往往包含发送信道和接收信道2条信道。
基带信号、宽带信号
基带信号
将1和0直接用2种不同电压表示，然后送到数字信道上传输（近距离）
宽带信号
将基带信号调制成频分复用的模拟信号，然后送到模拟信道上进行传输（远距离）
基本通信方式
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1条信道
半双工通信
通信双方都可以发送或接收消息，但不能同时进行
需要2条信道
全双工通信
通信双方可以同时发送或接收消息
需要2条信道
奈奎斯特定理和香农定理
信道传递信号，一定会存在极限容量，这两大定理用来计算信道的“最高码元传输速率”或“极限信息传输速率”的下限。
一些概念
速率或数据率：指单位时间内传输的数据量
若一个码元携带
n bit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×n bit/s
码元传输速率
又称“波特率”、“波形速率”、“调制速率”、“符号速率”
定义：指单位时间内通信系统所传输的码元个数（或脉冲个数、信号变化次数）
连续2个低电平也视为信号变化！
单位：Baud 波特 🡺 1Baud表示数字通信系统1秒传输1个码元
信息传输速率
又称“比特率”
定义：指单位时间内数字通信系统传输的比特数（即二进制码元个数）
单位：b/s
带宽：2种定义，绝大部分情况使用“定义2”
模拟信号系统中信号具有的频带宽度，即模拟信号系统中信号最高频率和最低频率的差值
单位：Hz赫兹
该定义只在奈氏准则和香农定理中使用
数字信号系统中单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
单位：b/s
带宽越宽，信息运送能力越大
奈奎斯特定理（内忧）
定义
条件：理想低通（带宽有限、无噪声）的信道中
目的：为避免“码间串扰”
内容：
结论
码元传输速率上限：任何信道的码元传输速率存在上限。一旦超过上限，就会引发码间串扰问题。
码间串扰：由于信号频率过高，导致接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，从而无法正确识别码元
带宽 vs 极限传输速率：信道的频带W越宽（即可以通过的高频分量越多），就可以使用更高的速率进行码元的有效传输
提高数据传输速率的方法：使每个码元携带更多bit ；采用更好的编码技术（多元制的调制方式）
缺陷
奈氏准则只给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率进行限制，即没有对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制
香农定理（外患）
定义
条件：带宽有限且有高斯白噪声干扰的信道，
目的：为避免误差，
内容：
结论
1、传输速率上限
只要信息传输速率低于极限传输速率，就一定可以实现无差错传输（香农定理的目的所在）
2、带宽、信噪比 vs 极限传输速率
信道中，带宽、信噪比越大，极限信息传输速率越高；
若信道带宽和信噪比一定，则信息传输速率的上限固定不变；
又若信道带宽和信噪比没有上限（实际不可能），则信道的极限信息传输速率也没有上限
3、理想 vs 实际
香农定理得出的只是极限传输速率，而实际信道能达到的传输速率一定会比其低不少
4、香农定理从另一个侧面表明，1个码元对应的bit数有限
补充：受二者共同限制的情况——取二者的最小值
（1）奈氏准则、香农定理都可用时；
（2）给定了一个码元携带的比特数时
编码与调制
1、概念
2、数据与信号之间的转换
数字数据
数字数据 --数字发送器🡪 数字信号
数字数据 --调制器🡪 模拟信号
模拟数据
模拟数据 --PCM编码器🡪 数字信号
模拟数据 --放大器/调制器🡪 模拟信号
2.1数字数据🡪数字信号
（1）应用场景：基带传输（在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号）
（2）常用的数据编码方式
归零编码 RZ
编码方法：高电平1、低电平0（或者相反），每个时钟周期的中间均归零（跳变到低电平）
优点：接收方可以根据跳变调整本方的时钟基准，从而使得传输双方拥有“自同步”机制
缺点：传输效率低（归零需要占用一部分带宽）
非归零编码 NRZ
编码方法：高电平1、低电平0（或者相反），不用归零
优点：传输效率有所提高（1个周期可以全部用来传输数据）
缺点：无法传递时钟信号，双方难以同步（若想传输高速同步数据，需要带有“时钟线”）
反向非归零编码 NRZI
编码方法：用“翻转”表示0、“不翻转”表示1
优点：（1）翻转的信号可以传输时钟信号；
（2）可以不损失系统带宽
缺点：若长时间“不翻转”，则同步也会很困难
应用：USB 2.0通信的编码方式
曼彻斯特编码
编码方法：将1个码元拆成2个相等间隔，“前高后低”表示1，“前低后高”表示0（或者相反）
优点：码元中间出现的电平跳变既可以作为数据信号、又可作为时钟信号
缺点：曼彻斯特编码所占的频带宽度是原始基带宽度的2倍（数据传输速率=1/2调制速率）
应用：以太网
差分曼彻斯特编码
编码方法：“本码元的前半部分与上一个码元的后半部分相同”表示1，不同表示0；
优点：（1）每个码元中间都有一次电平跳转，可以实现自同步
（2）抗干扰性好
4B/5B编码
编码方法：将欲发送数据流的每4位作为1组，按照“4B/5B规则”将其转换为5位码；
5位码的32种组合中，16种对应原4位码，冗余的16种作为控制码或保留不用
特点：编码效率80%
2.2数字数据🡪模拟信号
（1）应用场景：调制与解调
（2）幅移键控ASK
调幅度：不同的振幅分别代表1和0
优点：容易实现
缺点：抗干扰能力差
（3）频移键控FSK
调频率：不同的频率分别代表1和0
优点：容易实现且抗干扰能力强；目前应用广泛
（4）相移键控PSK
调波形（相位）：不同的波形（相位）分别代表1和0（如sin、cos等）
（5）正交振幅调制QAM：= ASK+PSK = 调幅度+调波形（相位）
设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则数据传输率 = B（b/s）
2.3模拟数据🡪数字信号
（1）应用场景：对音频信号进行编码的脉码调制PCM
（2）步骤：采样、量化、编码
采样
分割模拟信号，取得其中的一小段
量化
根据采样取得的部分模拟信号的电平幅值，按照一定的分级标度，转化为对应的数字值，并取整数
编码
把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
（3）采样定理（奈奎斯特定理）
假设原始模拟信号中，最大频率为，则必须满足采样频率（联想Vmax=2W Baud），才能保证采样后的数字信号能够无失真地保留原始模拟信号的信息
2.4 模拟数据🡪模拟信号
（1）应用场景：电话和本地局交换机的信号传输（模拟的声音数据加载到模拟的载波信号中传输）
（2）目的：提高模拟信号的频率，以提升传输的有效性
（3）技术：频分复用FDM
四、数据交换方式
交换：（从通信资源分配的角度看）指按照某种方式，动态地分配传输线路的资源
1、电路交换
（1）数据交换过程：数据传输前，进行通讯的两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径；数据传输过程中，这条物理路径被独占，直到数据传输完成后才被释放。
（2）步骤：建立连接数据传输释放连接
（3）特点：独占资源。在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽
（4）优点：通信时延小、实时性强；
有序传输、无冲突；控制简单；
适用范围广（数字/模拟信号均可用）
（5）缺点：建立连接时间长；
线路独占、灵活性差；
难以规格化（不同类型的终端难以相互通信）；
难以进行差错控制
若虚电路中某个结点故障，则整个虚电路也瘫痪
（6）应用场景：适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况
⚠：除了源结点、目的结点外，其他所有结点都采用“直通方式”收发数据，即不会存在存储转发所耗费的时间。
🌙 存储转发交换方式：报文交换和分组交换被统称为“存储转发交换方式”
2、报文交换
（1）报文：是网络中交换与传输的数据单元，包含源地址、目标地址等信息。报文的长度没有限制，长短不一。
（2）交换方式：以报文为单位的存储转发方式
（3）数据交换过程：将数据在发送方处添加必要的控制信息（如源地址、目的地址等）形成报文后，将报文发送到网络中；网络中的每个结点先接收整个报文，然后对报文进行差错校验；若无错误，则等待当前结点的输出电路空闲时，利用路由信息找到下一个结点地址，并传送给下一个结点。
交换设备主要是路由器
（4）优点：动态分配线路、无需提前建立连接，提高了线路的可靠性和利用率；
可以提供“多目标服务”
（5）缺点：存储转发的过程会带来转发时延（包括接收报文、差错检验、排队、发送报文等）；
报文的大小无限制，所以网络中每个结点都需要有较大的缓存空间。
（6）应用：早期的电报通信中，现在已很少使用（被分组交换取代）。
3、分组交换
优化后的报文交换
（1）分组：分组交换限制了每次发送的数据上限；超过上限的报文，被分割成一个个长度固定相等的小数据块，再加上必要的控制信息（源/目的地址、分组编号等），就形成了分组。
（2）交换方式：以分组为单位的存储转发方式
（3）数据交换过程
分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。 发送方首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收方将收到的分组组装成信息或报文。
（4）优点：动态分配线路、无需提前建立连接，提高了线路的可靠性和利用率；
相对于报文交换而言，简化了存储管理（分组长度固定）；
加快了传输速度；
降低了出错率和重发数据量
（5）缺点：存在传输时延；
需要传输额外信息量，一定程度上降低通信效率，使控制复杂、时延增加（但总体上仍比报文交换快）；
采用数据报方式时，可能会出现失序、丢失、重复分组的问题；
采用虚电路方式时，会引入建立、释放虚电路的时延
3.1 数据报方式
无连接、不可靠——可能导致失序、丢失、重复分组
3.2 虚电路方式
（1）连接方式：面向连接——可靠传输、按序到达
（2）缺陷：会引入建立虚电路的时延；
若虚电路中某个结点故障，则整个虚电路也瘫痪
（3）分类：虚电路不一定是“临时”的：
永久性虚电路PVC
提前定义好、基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接
交换型虚电路SVC
端点之间的一种临时性连接，会话结束之后就会被取消
⚠：虚电路方式不需要预先为每条虚电路分配带宽❌
4、三种交换方式对比
（1）传送数据量大，且传送时间呼叫时间，选择电路交换。
⚠：电路交换传输时延最小。
（2）当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
（3）从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信
考点二：传输介质
传输介质：传输介质是数据传输系统中，发送设备和接收设备之间的物理通路
一、导向型传输介质
1、定义
导向型传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒介（铜线、光纤等）的方向传播
2、常见的导向型传输介质
2.1 双绞线
（1）原理：通过绞合减少对相邻导线的电磁干扰；
（屏蔽双绞线）通过在外部添加金属丝屏蔽层，进一步提高抗电磁干扰能力
（2）分类：屏蔽双绞线STP、非屏蔽双绞线UTP
（3）优点：价格便宜、应用面广（数字/模拟信号都可以传输）
（4）应用：局域网、传统电话网
（5）传输距离：几千米几十千米
（6）信号传输方式：传输模拟信号——距离远时，使用放大器放大；
传输数字信号——距离远时，使用中继器整形。
⚠：10Base-T：数据传输率10Mb/s、基带传输、双绞线作为传输介质（T为双绞线的英文首字母）
2.2 同轴电缆
（1）原理：通过3层屏蔽层包裹，大大提高抗电磁干扰能力
（2）分类：按“特性阻抗数值不同”
50同轴电缆
又称“基带同轴电缆”，主要用于传送基带数字信号
应用：局域网
75同轴电缆
又称“宽带同轴电缆”，主要用于传输宽带模拟信号
应用：有线电视系统
（3）优点：抗电磁干扰能力强（强于双绞线） 传输速率高，传输距离更远
（4）缺点：贵
（5）应用：传输较高速率的数据
2.3 光纤
（1）带宽：光纤带宽极大（可见光的频率约为），通信容量极大
（2）分类：
多模光纤
利用光的全反射，把多个从不同角度射入的光信号，放在同一根光纤中传输
应用：近距离传输（光信号经过过多次全反射会逐渐失真）
适用光纤距离：sx
单模光纤
光纤直径仅为1个光的波长时，仅传输一个光信号，而不会发生全反射
应用：远距离传输
适用光纤距离：lx
光源：半导体激光器（定向性很好）
（3）优点：抗雷电/抗电磁干扰性好；无串音干扰，保密性好；体积小、重量轻
二、非导向型传输介质
1、无线电波
（1）传播方向：信号向所有方向传播
（2）优点：穿透能力强、传输距离长、简化了通信连接（信号向所有方向传播，无需对准就可以被接收到）
（3）应用：无线手机通信、无线局域网WLAN
2、高带宽无线通信技术
共性：微波、红外线、激光都需要发送方和接收方之间在一条视线通路上，有很强的方向性，沿直线传播
2.1 微波
（1）特点：通信频率较高、频段范围宽，因此信道容量大、数据率很高
（2）缺陷：由于地球是圆的，所以微波信号在地面的传播距离有限，需要中继站接力
（2）应用：卫星通信
原理：用地球同步卫星作为中继站，转发微波信号，可以克服通信距离的限制
实现：3颗相隔120 的同步卫星可以覆盖整个地球表面
优点：通信容量大、距离远、覆盖广
缺点：保密性差、传播时延长、成本高、受气候影响大
2.2 红外线、激光
传播形式：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播
三、物理层接口特性
物理层的任务
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。主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性（制定标准）。
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、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
e.g. 某网络在物理层规定，信号的电平用+10V+15V表示“0”，用-10V-15V表示“1”；电线长度限于15m以内
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（数据线、控制线、定时线等）的用途
4、规程（过程）特性
定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
考点三：物理层设备
一、中继器（转发器）
1、功能
通过信号再生，将衰减的信号整形再转发出去（而不是简单的把衰减信号放大！！！）
⚠：中继器端口仅作用于信号的“电气部分”，即“无脑转发”，不管数据是否错误
2、端口
有2个端口，一个进一个出
3、两端的网络部分
中继器两端连接的是“网段”，而不是子网；故使用中继器连接的多个网段属于同一个局域网（不能分割冲突域）
网段：指一个计算机网络中，使用同一物理层设备（传输介质、中继器、集线器等）能够直接通讯的那一部分
4、两端的协议和速率
协议：中继器两端的网段一定要使用同一个物理层协议；
速率：中继器不能连接两个速率不同的网段。
⚠：若某个网络设备具有“存储转发”功能，则可以认为该设备能够连接2个不同的协议；中继器无存储转发功能，所以不能。
⚠：若2个网段在A层互联，则A层及以下层协议必须相同，A以上层的协议可以不同
5、“5-4-3”规则
中继器并不能无限延长网络，只能在规定的范围内进行工作，否则会导致网络故障。
5-4-3规则：采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，规定互相串联的中继器个数不能超过4个，且用4个中继器串联的5段通信介质中，只有3段可以挂接计算机
6、中继器 VS 放大器
相同点：都起放大信号的作用
不同点：放大器放大模拟信号，原理是将衰减的信号直接增强放大；
中继器放大数字信号，原理是整形再生
二、集线器Hub
1、功能
其实就是多端口的中继器
2、端口
有多个端口，一个进，其余出
⚠ 故集线器只支持“半双工通信”
3、网络拓扑
由Hub组成的网络是“星形”网络（共享式网络），但逻辑上仍是“总线型”网络
4、连接的网络部分、协议
与中继器相同
不能分割冲突域，连接网段的协议必须相同
5、带宽分流
e.g. 一个带宽为10 Mb/s的Hub，连接了8台计算机，则每台计算机真正拥有的带宽仅为10/8 Mb/s=1.25 Mb/s
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