本篇博客是基于謝希仁編寫的《計算機網絡》和王道考研視頻總結出來的知識點，本篇總結的主要知識點是第二章的物理層。上一章的傳送門：計算機網絡體系結構-CSDN博客
通信基礎
物理層概念
物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
物理層主要任務 : 確定與傳輸媒體接口有關的一些特性（即定義標準）
物理層接口的特性
數據通信基礎知識
數據通信模型
- 調制解調器就是路由器
數據通信相關術語
- 通信的目的是傳送消息（消息:語音、文字、圖像、視頻等）。
- 數據data:傳送信息的實體，通常是有意義的符號序列。
- 信號:數據的電氣/電磁的表現，是數據在傳輸過程中的存在形式。
- 信源:產生和發送數據的源頭。
- 信宿:接收數據的終點。
- 信道:信號的傳輸媒介。一般用來表示向某一個方向傳送信息的介質，因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
數據通信的方式
- 單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。（廣播）
- 半雙工通信：通信的雙方都可以發送或接收信息，但任何一方都不能同時發送和接收，需要兩條信道。（對講機）
- 全雙工通信：通信雙方可以同時發送和接受信息，也需要兩條信道。（打電話）
串行傳輸&并行傳輸
串行傳輸：將表示一個字符的8位二進制數按由低位到高位的順序依次發送。只有一條信道在傳輸數據。
特點：速度慢，費用低，適合遠距離
并行傳輸：將表示一個字符的8位二進制數同時通過8條信道發送。
特點：速度快，費用高，適合近距離。
碼元，速率，波特
碼元
碼元是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖)，代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。當碼元的離散狀態有M個時(M大于2)，此時碼元為M進制碼元。
1碼元可以攜帶多個比特的信息量。例如，在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態，另一種代表1狀態。
例如：K進制碼元——4進制碼元——>碼元的離散狀態有4個——>4種高低不同的信號波形 00、01、10、11(四種不同的電平)，這時一個碼元攜帶兩個比特的信息量。
計算一個碼元可以攜帶多少個比特的信息量：先確定是幾進制碼元，假設為M進制，則一個碼元攜帶Log?M個比特。
速率
速率也叫數據率，是指數據的傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量。可以用碼元傳輸速率和信息傳輸速率表示。
碼元傳輸速率:別名碼元速率、波形速率、調制速率、符號速率等，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（也可稱為脈沖個數或信號變化的次數)，單位是波特（Baud)。1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元。
信息傳輸速率:別名信息速率、比特率等，表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數（即比特數)，單位是比特/秒(b/s )
關系:若一個碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M×n bit/s。
?奈氏準則，香農定理
失真
影響失真程度的因素: 1.碼元傳輸速率 ⒉信號傳輸距離 3.噪聲干擾﹐4.傳輸媒體質量
碼間串擾
碼間串擾:接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現象。
奈氏準則
奈氏準則:在理想低通（無噪聲，帶寬受限)條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，單位是Hz。
注意：只有在這兩個公式這帶寬才用Hz! !
- 在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的。若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的完全正確識別成為不可能。
- 信道的頻帶越寬（即能通過的信號高頻分量越多)，就可以用更高的速率進行碼元的有效傳輸。
- 奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對信息傳輸速率給出限制。
- 由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數據的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個比特的信息量，這就需要采用多元制的調制方法。
香農定理
噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中。由于噪聲隨機產生，它的瞬時值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤。但是噪聲的影響是相對的，若信號較強，那么噪聲影響相對較小。因此，信噪比就很重要。信噪比=信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記為S/N，并用分貝(dB）作為度量單位，即:
香農定理:在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產生誤差，信息的數據傳輸速率有上限值
- 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。
- 對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限就確定了。
- 只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實現無差錯的傳輸。
- 香農定理得出的為極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。
- 從香農定理可以看出，若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（不可能），那么信道的極限信息傳輸速率也就沒有上限。
對比分析
編碼和調制
基帶信號與寬帶信號
基帶信號：將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數字信道上去傳輸（基帶傳輸）。
寬帶信號：將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號，再傳送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）。
在傳輸距離較近時，計算機網絡采用基帶傳輸方式（近距離衰減小，從而信號內容不易發生變化)
在傳輸距離較遠時，計算機網絡采用寬帶傳輸方式(遠距離衰減大，即使信號變化大也能最后過濾出來基帶信號)
編碼和調制
數字數據：即離散數據，即數據的變化是不連續的（離散的）。
- 一封電子郵件：電子郵件中的文本內容、附件（如圖片、文檔等）都是以數字形式表示的數據。
- 數字照片：通過數碼相機拍攝的照片是以數字形式存儲的，每個像素都用數字表示其顏色和亮度。
- MP3 音樂文件：音樂文件可以被轉換為數字形式，然后以數字信號的形式進行存儲和傳輸。
- 網頁內容：網頁中的文本、圖像、視頻等內容都是以數字形式在網絡上傳輸的。
模擬數據：即連續數據，即數據的變化是連續的。
- 電話通話中的語音信號：在傳統的電話網絡中，語音信號是以模擬形式傳輸的，通過模擬信號來表示聲音的波形。
- 電視信號：傳統的模擬電視信號是以模擬形式傳輸的，包括視頻信號和音頻信號。
- 溫度傳感器輸出：某些溫度傳感器輸出的數據是以模擬形式表示的，通過模擬信號來表示溫度的變化。
- 光線傳感器輸出：光線傳感器輸出的數據也是以模擬形式表示的，用來檢測光線強度的連續變化。
數字數據編碼為數字信號
以下是一些常見的數字數據編碼為數字信號的方法：
非歸零編碼
高1低0
曼徹斯特編碼
將一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為低電平后一個間隔為高電平表示碼元1;碼元o則正好相反。也可以采用相反的規定
每一個碼元都被調成兩個電平，所以數據傳輸速率只有調制速率的1/2。
差分曼徹斯特編碼
常用于局域網傳輸，其規則是:若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同，若為0，則相反。
該編碼的特點是，在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉，可以實現自同步，且抗干擾性強于曼徹斯特編碼。
數字數據調制為模擬信號
數字數據調制技術在發送端將數字信號轉換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數字信號，分別對應于調制解調器的調制和解調過程。
模擬信號編碼為數字信號
模擬數據調制為模擬信號
為了 實現 信號傳輸 的?有效性?, 可能需要以?較高的頻率?傳輸信號 ;
提高 信號頻率 的同時 , 還可以使用?頻分復用技術?,?充分利用 帶寬 資源?
模擬信號 調制為 模擬信號" 示例 :
電話機 與 本地交換機 之間傳輸的信號 , 就是 將 模擬信號 調制后的 模擬信號 ;
前者是 模擬的聲音信號 ( 低頻信號 ) , 后者是 模擬的載波信號 ( 高頻信號 ) ;
人說話的聲音 , 聲帶振動的頻率很低 , 幾十到幾百赫茲 ; 電磁波的信號 都是百萬赫 , 吉赫茲 級別的 ；使用電磁波傳輸聲音 , 需要將頻率提高 幾百到幾萬倍不等 。
物理層傳輸介質
傳輸介質也稱傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送設備和接收設備之間的物理通路。
傳輸媒體并不是物理層。
傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸的是信號，但傳輸媒體并不知道所傳輸的信號代表什么意思。但物理層規定了電氣特性，因此能夠識別所傳送的比特流。
下面是傳輸介質的分類：
導向性傳輸介質
雙絞線
同軸電纜
雙絞線VS同軸電纜
光纖
光纖的分類又可分為單模和多模光纖
真實的光纖，直徑約0.2mm
光纖的特點
非導向性傳輸介質
物理層設備
中繼器
誕生原因:由于存在損耗，在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接收錯誤。
中繼器的功能:對信號進行再生和還原，對衰減的信號進行放大，保持與原數據相同，以增加信號傳輸的距離，延長網絡的長度。
中繼器的兩端: 兩端的網絡部分是網段，而不是子網，適用于完全相同的兩類網絡的互連，且兩個網段速率要相同。（后面會講解網段，子網的相關內容）
集線器（多口中繼器）
集線器的功能:對信號進行再生放大轉發，對衰減的信號進行放大，接著轉發到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態的端口上，以增加信號傳輸的距離，延長網絡的長度。不具備信號的定向傳送能力，是一個共享式設備。
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