计算机网络之物理层
物理层基本概念
物理层目的：物理层是解决如何在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流
物理层任务：确定与传输媒体接口(定义标准)，如：插头的样式、电压的范围等
物理层的标准可以总结为以下四种特性：
- 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
- 功能特性：指明某条线上出现某一电平表示何种意义，接口部件的信号线用途
- 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系
数据通信过程
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通过上图，我们不难发现，计算机发出的数字信号(脉冲信号)不能直接发送到对方计算机，需要经过调制解调器(猫)将数字信号转化为模拟信号发送进入公用电话网，然后选址查询，再由调制解调器反向解调为数字信号传入对方计算机
数据通信相关术语
数据：传送消息的实体，通常是有意义的符号序列
通信：传输消息
信号：数据的电器或电磁的表现，是数据在传输过程的存在形式
- 数字信号：消息的参数是离散的(锯齿波)
- 模拟信号：消息的参数是连续的(正余弦函数)
信源：产生和发送数据的源头
信宿：接收数据的目的地
信道：信号传输的媒介，一般用来表示向某个方向传输信息的介质，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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按照传输信号可分为
- 模拟信道(传输模拟信号)
- 数字信道(传输数字信号)
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按照传输介质分为
- 无线信道
- 有线信道
三种通信方式
1.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(BB机)
2.半双工通信：通信的双方都可以发送或接收消息，但任何一方都不能同时发送或接收，需要两条信道(对讲机)
3.双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道(电话)
两种数据传输方式
传输方式分为：
- 串行传输：速度慢、费用低、适合远距离传输(传真机)
- 并行传输：速度快、费用高、适合近距离传输(打印机、扫描仪)
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码元
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位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元长度，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号量，例：在二进制码元中，只有1或0两种状态，在一个码元中就只携带1或0，所以一个码元就携带一个比特信号量
码元携带多少比特信号量计算公式：
$$ 一个码元携带比特信号量 = \log_2 进制数 $$
速率、波特、带宽
速率：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
此处注意：传输速率与传播速率不同，传输速率是指数据从主机端传输到链路上的速度，传播速率是指数据在链路上传播的速率，一般受介质影响，大致接近电磁波的速率
码元传输速率(波特率)：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变换次数)，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，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关
信息传输速率(比特率)：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s)
码元传输速率与信息传输速率关系：信息传递速率 = 码元传输速率 * 每码元携带的信号量
带宽：计算机网络中，带宽用来表示通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"，单位是b/s
例题：
失真与码间串扰
失真：指信号在传输过程中与原有信号所发生的偏差
影响失真程度的因素：1.码元的传输速率 2.信号的传输距离 3.噪声干扰 4.传输媒体质量
信号带宽：是信道能通过的最高频率和最低频率之差
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，计算机网络之中，码间串扰的现象可以形象的表达为，信号的频率太高或太低，从而使得码元之间的界限开始模糊了
奈氏准则与香农定理
奈氏准则(奈奎斯特定理)
奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz(只有在奈氏准则和香农定理中信道带宽的单位会用Hz)
$$ 理想低通信道下的极限信息传输率=2W\log_2 进制数 $$
由奈氏准则可知：
- 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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
- 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速度进行码元的有效传输
- 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
- 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，就必须使得每个码元能写到更多比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法
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香农定理
香农定理：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
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误，但噪声的影响又是相对的，若信号较强，那么噪声影响会相对较小，因此，信噪比就很重要
信噪比：信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/B，并用分贝（dB）作为度量单位
$$ 信噪比(dB) = 10\lg (S/N) $$
$$ 信道下的极限信息传输率=W\log_2 (1 + S/N) $$
由香农定理可知：
- 信道的带宽或信道中信噪比越大，则信息的极限传递速率就越高
- 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
- 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实现无差错的传输
- 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道的传输速率远远低于它
香农与奈氏的对比
基带信号与宽带信号
信道有两种分类手段，可按照传输信号分为模拟信道和数字信道，按照传输介质则可以分为无线信道和有线信道
信道上传送的信号可分为基带信号和宽带信号
- 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基带信号。
- 宽带信号：将宽带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传输到模拟信道上传输(宽带传输)，在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(近距离衰减较小，从而信号内容不易发生改变)
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)
编码与调制
数据可以通过编码手段转成数字信号，也可以通过调制手段将数据转为模拟信号
举例：
数字数据可以通过数字发送器转化为数字信号(编码)，也可以通过调制器转化为模拟信号(调制)
模拟数据可以通过PCM编码器转化为数字信号(编码)，也可以通过放大器调制器转化为模拟信号(调制)
数字数据编码为数字信号
非归零编码(高电平1低电平0)
特点：编码容易实现，但没有检错功能，且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
归零编码
特点：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式(相对而言这种编码信道的利用率不高)
反向不归零编码
特点：信号电平反转表示0，信号电平不变表示1(对于全1数据，可能无法分辨发了多少个1)
曼彻斯特编码
特点：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！也可以采用相反的规定，该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)，又可作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍，每一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的1/2
差分曼彻斯特编码
特点：常用于局域网传输，其规则为，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！该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
4B/5B编码
4B/5B编码比特流中插入额外的比特以打破连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，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种不同的4位码，其他的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
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过程和解调过程调幅，调频调相原理实例见上图
模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WA文件中均有应用！它主要包括三步：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使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f采样频率 ≥ 2信号最高频率
2.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，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
3.编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码