计算机网络物理层（期末、考研）-Toy模板网

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物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输比特流，而不是指具体的传输媒体

基本概念（必须全部理解）

数据、信号、码元。
数据：传送信息的实体。
信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。
码元：是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示以为。表示一位k进制数字，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。
信道：信号传输的媒介。从通信双方的交互方式来看有三种基本方式。
1. 单项通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，只需要一条信道。
2. 半双工通信：通信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信息，此时需要两条信道。
3. 全双工通信：通信双方可以同时发送或接收信息，也需要两条信道。
- 信道上传输的信号有基带信号和宽带信号之分。
  - 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）。
  - 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，然后送到模拟信道上传输（称为宽带传输）。
速率、波特、带宽。
- 速率：也称数据率、数据传输速率，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：又称为波特率、调制速率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。码元可以是多进制的，也可以是单进制的，码元速率与进制数无关。
  - 信息传输速率：又称为信息速率、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b/s。
- 带宽：原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz），在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。因此带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率“。显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是b/s。

奈奎斯特定理和香农定理（基本必考）

奈奎斯特定理
- 它规定在理想低通信道中，为了避免码间串扰，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。
- 理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V（b/s）
- 对于奈氏准则可以得出以下结论：
  1. 在任何信道中，码元的传输速率都是有限的，若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确识别码元。
  2. 信道的频带越宽（即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。
  3. 奈氏准则给出了码元传输速率的闲置，但未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。
香农定理
- 它给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。
- 信道的极限传输速率=Wlog2(1+S/N)（b/s）
- S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10log10(S/N)（dB）。
- 对于香农定理可得出以下结论
  1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
  2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
  3. 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。
  4. 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，也考虑了信噪比，这说明一个码元对应的二进制位是有限的。

编码与调制（基本必考）

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。
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。
数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输，这样就形成了下列4种编码方式：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-437625.html

数字数据编码为数字信号
- 归零编码RZ
- 非归零编码NRZ
- 反向非归零编码NRZI
- 曼彻斯特编码
- 差分曼彻斯特编码
- 4B/5B编码
数字数据调制为模拟信号
- 幅移键控（ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变，比较容易实现，但抗干扰能力弱。
- 频移键控（FSK）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变，容易实现，抗干扰能力弱，目前应用较为广泛。
- 相移键控（RSK）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。
- 正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为：R=Blog2(mn)（b/s）
模拟数据编码为数字信号
- 这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它主要包括三个步骤，即采样、量化、编码。
- 待补充
模拟数据调制为模拟信号
- 频分复用（FDM）

电路交换、报文交换、分组交换（基本必考）

电路交换
报文交换
分组交换

数据报与虚电路

数据报
虚电路

传输介质

双绞线
同轴电缆
光纤
无线传输介质

物理层设备（要会和其他层的设备进行辨析）

中继器（Repeater）
- 中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰弱，进而扩大网络传输的距离，其原理是信号再生（并非简单将衰减的信号放大）。
- 使用局域网连接的仍然是一个局域网。
- 由于中继器工作在物理层因此他不能连接两个具有不同速率的局域网。中继器两端的网段一定要使用同一个协议。
- 5-4-3原则：在采用粗同轴电缆的10BASE5的以太网规范中，互相串联的中继器个数不能超过4个，而且4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。
- 放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰弱的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。
集线器（Hub）
- 集线器实质上是一个多端口的中继器。
- 一个端口接收到数据信号后，由于信号在端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除了输入端口外）处于工作状态的端口。
- 如果同时有两个或多个端口输入，那么会发生冲突，致使这些数据都无效。
- 集线器不具备信号的定向传送能力，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。
- 集线器只能在半双工的状态下工作，网络的吞吐率因而收到限制。

物理层问题合集：

传输媒体是物理层吗？传输媒体和物理层的主要区别是什么？
- 传输媒体并不是物理层，传输媒体在物理层下面。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。也就是说传输媒体不知道所传输的信号什么时候是1什么时候是0。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
什么是基带传输、频带传输和带宽传输？三者的区别是什么？
如何理解同步和异步？什么是同步通信和异步通信？
奈氏准则和香农定理的主要区别是什么？这两个定理对数据通信的意义是什么？
信噪比为S/N，为什么还要取对数10log10(S/N)。
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