计算机网络(五)-物理层

一.物理层

1.基本概念
1.1 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。
1.2 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。

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。
电气特性：规定传输二进制时，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，接口部件的信号线的用途。
规程特性(过程特性)：定义各个物理线路的工作规程和时序关系。

二.数据通信基础知识

2.1 典型的数据通信模型
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2.2 相关术语

数据：传输信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号:数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
数字信号：代表信息的参数取值是离散的。
模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
信源：产生和发送数据的源头；
信宿：接收数据的终点；
信道：信号的媒介。

2.3 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。
全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

2.4 两种数据传输方式

串行传输：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。

三.码元

3.1 码元是指用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元，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。

3.2 1码元可以携带多个比特的信息量。

3.3 K进制码元
具有K个不同的离散状态，将这K个状态使用二进制来编码，而每个状态(可能有多位二进制位)对应不同高度的波形,可以知道K进制码元的整体模拟信号。

四.速率、波特、带宽

4.1 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表示。

4.2 码元传输速率：也称码元速率、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(也称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud).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，但码元速率与进制数无关。

1 Baud=1码元/s

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

4.4 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MxN bit/s.

4.5 带宽：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数据的能力。单位b/s。

五.编码与调制

5.1 基带信号

来自信源的信号，将数字信号1、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)。
基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号。

5.2 宽带信号

将基带信号进行调制后形成的频分复用的模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带信号)，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(即仅在一定频率范围内能够通过信道)。

5.3 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，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。

5.4 编码与调制
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1.非归零编码(NRZ)

高1低0
编码简单，但没有检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
难于保持同步：对于全0、全1数据，接收方无法判断每个时钟周期有多少个0或1，接收方不知道时钟周期值，因此无法计算出0或1的个数。

2.归零编码(RZ)

信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码方式。
全0，难于保持同步

3.反向不归零编码(NRZI)

信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
全1，无法保持同步

4.曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1，码元0则正好相反(或前低后高为0,1则相反)。
特点：每一个码元的中间出现电平跳变，位于中间的跳变即做为时钟信号(可用于同步)，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。
前高后低位1，前低后高0；
每个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率(脉冲个数或信号变化的次数)一半。

5.差分曼彻斯特编码

同1异0；
常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则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。
该编码特点：在每一个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强与曼彻斯特编码。

6.4B/5B编码

在比特流中插入额外的比特来打破一连串的0或1，就是有**5比特(32种)来编码4比特(16 种)**的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
只采用16种对应16种不同编码的4位吗，其他16种作为控制码(帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留。

六.数字数据—模拟信号

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
6.1 几种调制技术
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模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的二进制数据，处理的都是数字音频，所需要将模拟音频通过采样、量化转化为有限个数字表示的离散序列(数字化)。
对音频信号进行编码的脉码调制(PCM),PCM编码能够达到最高保真水平。包括三步：抽样、量化、编码。

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。
为使所得的离散信号能无失真的代表被抽样模拟数据，要使用采用定理进行采用：f_采样频率>=2f_{信号最高频率}
量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，取整；
编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码。