物理层

数据长这样：01001010001011011110001010…

物理层任务：实现相邻节点之间的比特（0/1）的传输。

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通信基础

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信源：信号的来源

信宿：信号的归宿

信道：信号的通道

信号：数据的载体

  • 数字信号：信号值是离散的。

  • 模拟信号：信号值是连续的。

  • 可作为信号的物理量：电压，电磁波等。

  • 基带信号：由信源发出的未经调制的原始电信号。（用于短距离通信）（在信道的传输称为基带传输）

  • 宽带信号：将基带信号调制到高频加载波上形成的信号。（在信道的传输称为宽带传输）

    • 需要远距离或者无线传输时，需要将数字信号“搭载”到一个高频载波上，
    • 这个过程叫调制。转换后的信号信道的传输叫 频带传输，
    • 而宽带传输指利用频分复用等技术，将一条物理线路划分为多个频带信道，每个信道可以独立进行频带传输。

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数据

  • 数据的传输方式分为串行传输和并行传输。
  • 串行传输：长距离通信，如计算机网络
  • 并行传输：短距离通信，如计算机内部

码元

==每个信号（n位二进制码）就是一个 “码元”。1码元可以携带若干个比特的信息量。==

==一码元携带的信息量== N =log₂Kbit。（一个周期可以出现K种信号，就是K进制码元）

  • 如果一个信号周期内出现4种信号，每个信号就可以对应1个四进制数。==（数据拆成11 01 00 01）==

    • 这种码元称为4进制码元（一个码元携带2bit数据）

    • 可以把“信号周期”称为“码元宽度 ”。

优点：每个信号周期可以传输更多信息。（即每一个码元可以携带的比特数增多了）

代价：信号功率需要加强（-1V-1V变成-2V-2V）。且对信道的要求变高。

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速率

  • ==比特率==（信息传输速率）：每秒传输几个比特。

  • ==波特率==（码元传输速率）（调制速率）：每秒传输几个码元。

  • 比特率 K*N (bit/s，bps) = 波特率K (Baud，码元/秒) ***** 一个码元携带N比特的信息量

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信道的极限容量

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带宽

模拟通信中：表示 信道所能传输的频率范围（大-小），单位Hz。

数字通信中：表示 最大数据传输速率，单位b/s

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噪声

对信道产生干扰。

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奈氏准则

（对于没有噪声的信道）

极限波特率 = 2W，单位是波特或者码元/秒。（W是信道的频率带宽）

极限比特率 = 2W*log₂K b/s 【= 极限波特率 * log₂K】

结论有：

  • 波特率不能太高，不然会发生“码间串扰”，使接收方无法识别码元。
  • 所以，码元传输速率存在上限。
  • 但也许信息传输速率不存在上限，可以通过增加一个码元携带的信息量（比特数）实现，如使用多元调制QAM。

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香农定理

对于有噪声的信道：极限比特率 = W * log₂(1+S/N) b/s [ S/N处使用无分贝记法 ]

  • 信噪比S/N：信号的功率/噪声的功率。（信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小）
  • 一般的信号功率比噪声功率大得多。所以用分贝为单位记信噪比。
    • 信噪比 = 10 log₉+₁（S/N），单位db

结论有：

  • 信息传输速率存在上限（当W和S/N确定时）
  • 实际的最大信息传输速率 取决于 min【奈氏准则，香农定理】

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编码和调制

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编码解码，调制解调

编码：二进制数据转为数字信号。（步骤：采样，量化，编码）

变换器：将二进制数据转为数字信号的硬件。

调制：二进制数据转为模拟信号

调制器/解调器：比如光猫（optical modem）

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采用的编码方法⭐

归零：目的是保持clock节奏，进而够判断出比特和比特的边界。得到自同步能力。

  • 但是归零会造成带宽浪费

不归零：意味着每个码元==中间==不会跳变回零电平

Non-Return-to-Zero Inverted

不归零编码(NRZ)：低0高1。【编码效率最高】

归零编码(RZ)：低0高1。

反向非归零编码(NRZI)：看起点处，跳0，不跳1。 【NRZ+NZ的综合，USB2.0标准采用此编码】（增加冗余位可有自同步能力）

曼切斯特编码：中间处发生跳变，同时表示时钟同步和数据表示。 下↓0，上↑1 。【传统以太网，采用曼切斯特编码，原因在于有时钟同步】（可能↓↑相反）

差分曼切斯特编码：中间处发生跳变，仅表示时钟同步。起点处跳变，跳0，不跳1。【用于令牌环网等高速网络】

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采用的调制方法

①调幅AM：调整正弦波的振幅

②调频FM：调节正弦波的频率

③调相PM：调剂正弦波的相位

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如果想让一个码元携带更多比特

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④正交幅度调制QAM

将AM，PM结合，形成叠加信号。

可以调制出多达mn种信号。

（一码元=log₂mn bit）（QAM-X，X意味着多少种信号）

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传输介质

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采用的传输介质

双绞线

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Note：距离太远时：

  • 对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号。
  • 对于数字传输，要用中继器对失真的信号整型。

同轴电缆

内导体越粗，电阻Ω越低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长。

双屏蔽层带来了超高屏蔽性

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光纤（光导纤维构成）

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( ≈ 直线传播，不是 = ) （细光纤（单模）比粗光纤（多模）传输效率高是因为多模中的色散等问题）

以太网对有线传输介质的命名规则

速度 + BASE + 介质信息

  • Baseband，基带传输，即传输数字信号（采用曼切斯特编码）

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无线传输介质

无线电波：信号指向性弱，到处扩散【频率低】，穿墙能力强【波长长】。

微波通信：信号指向性强，频率带宽高。

红外线通信，激光通信：信号指向性强。

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物理层接口的特性

机械特性

电气特性（一些物理特性）

功能特性（意义，具体功能相关）

过程特性（顺序和时序关系）。

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物理层设备

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中继器

如果传输距离太长，数字信号会失真。所以需要限制介质长度。

中继器：信号传输的中转站。将失真信号再生，并转发至另一端口。仅支持半双工通信

  • 并不是简单的放大衰减，而是信号再生。

中继器连接的两个端口属于 同一局域网 的 不同网段（而非不同协议的子网）。

  • （中继器和集线器 不具备缓存能力 ，连接了两个不同链路层 协议 的网段时会出问题。）

中继器和集线器仅支持半双工通信。

  • 若两个/多个端口所连节点同时发出信号，会发生 “冲突”

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集线器

本质是多端口的中继器，物理上扩大了网络的覆盖范围。

工作原理是广播发送。

冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两个主机处于同一个“冲突域”。

  • 中继器/集线器不能“隔离”冲突域。
    • 中继器/集线器连接多主机且同时通信，会共享带宽
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（通过广播发送和冲突域的知识）得到：集线器组成的网络，物理上是星形网络，逻辑上是总线型网络。

==小结：集线器连接的工作站集合，同属于一个冲突域，也同属于一个广播域。==

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补充：集线器，中继器的一些特性

①集线器，中继器 不能“无限串联”。

5个网段-有4台集线器/中继器-挂3台计算机。

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④

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回顾

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Other

半双工通信：只需要1条信道，不需要两条，分时传输就行。