本篇博客是基于谢希仁编写的《计算机网络》和王道考研视频总结出来的知识点，本篇总结的主要知识点是第二章的物理层。上一章的传送门：计算机网络体系结构-CSDN博客
通信基础
物理层概念
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。
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）
物理层接口的特性
数据通信基础知识
数据通信模型
- 调制解调器就是路由器
数据通信相关术语
- 通信的目的是传送消息（消息:语音、文字、图像、视频等）。
- 数据data: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，是数据在传输过程中的存在形式。
- 信源:产生和发送数据的源头。
- 信宿:接收数据的终点。
- 信道:信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，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。
数据通信的方式
- 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。（广播）
- 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。（对讲机）
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。（打电话）
串行传输&并行传输
串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。只有一条信道在传输数据。
特点：速度慢，费用低，适合远距离
并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。
特点：速度快，费用高，适合近距离。
码元，速率，波特
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。
1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
例如：K进制码元——4进制码元——>码元的离散状态有4个——>4种高低不同的信号波形 00、01、10、11(四种不同的电平)，这时一个码元携带两个比特的信息量。
计算一个码元可以携带多少个比特的信息量：先确定是几进制码元，假设为M进制，则一个码元携带Log₂M个比特。
速率
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。
码元传输速率:别名码元速率、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（也可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。
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（即比特数)，单位是比特/秒(b/s )
关系: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。
奈氏准则，香农定理
失真
影响失真程度的因素: 1.码元传输速率 ⒉信号传输距离 3.噪声干扰﹐4.传输媒体质量
码间串扰
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。
奈氏准则
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。
注意：只有在这两个公式这带宽才用Hz! !
- 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)，就可以用更高的速率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，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
香农定理
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。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。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/N，并用分贝(dB）作为度量单位，即:
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
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
- 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来实现无差错的传输。
- 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
- 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
对比分析
编码和调制
基带信号与宽带信号
基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。
宽带信号：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去传输（宽带传输）。
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，从而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来基带信号)
编码和调制
数字数据：即离散数据，即数据的变化是不连续的（离散的）。
- 一封电子邮件：电子邮件中的文本内容、附件（如图片、文档等）都是以数字形式表示的数据。
- 数字照片：通过数码相机拍摄的照片是以数字形式存储的，每个像素都用数字表示其颜色和亮度。
- MP3 音乐文件：音乐文件可以被转换为数字形式，然后以数字信号的形式进行存储和传输。
- 网页内容：网页中的文本、图像、视频等内容都是以数字形式在网络上传输的。
模拟数据：即连续数据，即数据的变化是连续的。
- 电话通话中的语音信号：在传统的电话网络中，语音信号是以模拟形式传输的，通过模拟信号来表示声音的波形。
- 电视信号：传统的模拟电视信号是以模拟形式传输的，包括视频信号和音频信号。
- 温度传感器输出：某些温度传感器输出的数据是以模拟形式表示的，通过模拟信号来表示温度的变化。
- 光线传感器输出：光线传感器输出的数据也是以模拟形式表示的，用来检测光线强度的连续变化。
数字数据编码为数字信号
以下是一些常见的数字数据编码为数字信号的方法：
非归零编码
高1低0
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o则正好相反。也可以采用相反的规定
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
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。
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。
模拟信号编码为数字信号
模拟数据调制为模拟信号
为了 实现 信号传输 的 有效性 , 可能需要以 较高的频率 传输信号 ;
提高 信号频率 的同时 , 还可以使用 频分复用技术 , 充分利用 带宽 资源
模拟信号 调制为 模拟信号" 示例 :
电话机 与 本地交换机 之间传输的信号 , 就是 将 模拟信号 调制后的 模拟信号 ;
前者是 模拟的声音信号 ( 低频信号 ) , 后者是 模拟的载波信号 ( 高频信号 ) ;
人说话的声音 , 声带振动的频率很低 , 几十到几百赫兹 ; 电磁波的信号 都是百万赫 , 吉赫兹 级别的 ；使用电磁波传输声音 , 需要将频率提高 几百到几万倍不等 。
物理层传输介质
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。
传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
下面是传输介质的分类：
导向性传输介质
双绞线
同轴电缆
双绞线VS同轴电缆
光纤
光纤的分类又可分为单模和多模光纤
真实的光纤，直径约0.2mm
光纤的特点
非导向性传输介质
物理层设备
中继器
诞生原因:由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能:对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
中继器的两端: 两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。（后面会讲解网段，子网的相关内容）
集线器（多口中继器）
集线器的功能:对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
