计算机网络

第二章 物理层

author:slightwjq
2023年1月3日

2.1 通信基础

基本概念

通信的目的是传送信息。数据是指传送信息的实体。信号是数据在传输过程中的存在形式。连续变化的数据成为模拟信号，取值仅允许几个离散数值的数据成为数字数据。
码元是指用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形。

信道是信号的传输媒介，一般用来表示向某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。信道按传输信号形式的不同，可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道。

奈奎斯特定理和香农定理

奈奎斯特定理：又称奈氏准则，规定在理想低通的信道中，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽。V表示每个码元离散电平的数目。
理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog2V
结论：在任何信道中，码元的传输速率有上限；信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输；给出了码元的传输速率限制，但未给出信息的传输速率限制。

香农定理：给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限传输速率。
信道的极限传输速率 = Wlog2(1+S/N)
信噪比 = 10log10(S/N) 单位为dB
结论：信噪比越大，极限传输速率越高；对于一定的带宽和一定的信噪比，信息的传输速率的上限确定；只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到方法实现无差错传输；实际信道能达到的传输速率要低不少

编码与调制

把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
数字数据编码为数字信号：用于基带传输，常用归零编码、非归零编码、反向归零编码、曼切斯特编码（以太网）、差分曼切斯特编码。
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，在接收端将模拟信号还原为数字信号。数字调制方法有幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK、正交振幅调制QAM。
模拟数据编码为数字信号：最典型是对音频信号进行编码的脉码调制PCM。主要包括采样、量化、编码。
模拟数据调制为模拟信号：可以使用频分复用FDM，充分利用带宽资源。

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换：数据传输前，必须建立一条双方独占的物理通信路径。
报文交换：交换单位是报文，在交换节点采用存储转发的传输方式，只适用于数字信号。
分组交换：采用存储转发方式，限制了每次传送的数据块大小的上限。

数据报与虚电路

数据报的特点：

• 分组前无需连接。
• 尽最大努力交付。
• 分组中包含发送端和接收端完整地址。
• 分组在存储转发时需要排队等候。
• 网络具有冗余路径。
• 存储转发时延较小。
• 不独占链路。

虚电路：要求发送发和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路。

2.2 传输介质

传输介质也称传输媒体，是发送设备和接收设备之间的物理通路。
一般有双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输介质。
特性：机械特性（接线器的形状尺寸、引脚数目排列等）、电气特性（电压的范围）、功能特性（电平的电压表示的意义）、过程特性（各种事件可能出现的顺序）。

2.3 物理层设备

中继器：主要功能是将信号整形并放大再转发出去，进而扩大网络传输的距离。端口仅用于信号的电气部分。
集线器：实质上是多端口的中继器。

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