计算机网络第二章（物理层）课程复习
写在前面：
本文是对计算机网络课程的系统性复习，参考了课堂PPT、计算机网络（第7版，谢希仁编著）、王道考研B站公开课以及考研指导复习书。下图是物理层的学习内容，数据交换方式在第一章复习时就已经讲解完毕了，本文将会略过（下图也说明了，数据分组操作是在物理层进行的）。
物理层基本概念：
物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传播数据比特流，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。通俗的说，物理层与插线板、传输光缆和路由器小盒子等有关。
数据通信基础：
数据在机器中以0/1组成的数字信号存在，通过调制解调器变成模拟信号。广域网中只支持模拟信号的传输，因此这一步不可缺少。最后在解压成数字信号，传播到另一台电脑。计算机再把0/1组成的数字信号转换成人类理解的文字（物理层以上的几层所做的）。
上图中，下面的流程就是专用术语表达。
常见的数据通信术语表达：
数字信号的传播模拟图中，竖线是假想出来方便理解的。离散型和连续型可以结合概率论/高数的定义辅助理解。
补充：数字数据和模拟数据
- 模拟数据：模拟数据是连续的，可以取任意值。它通常用来表示自然界中的物理量，如温度、压力、声音等。存储和传输模拟数据需要模拟介质，如磁带、胶片等，这些介质容易退化。
- 数字数据：数字数据是离散的，由有限的、可数的值组成。它通常以二进制形式（0和1）表示。可以存储在硬盘、光盘、闪存等数字介质上，具有更好的长期保存能力和复制质量。
码元/速率/波特/带宽（important）：
码元是指用一个固定长度的信号波形（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，时长（固定长度）称为码元宽度（或码元长度），这里的宽度是1小段的宽度。当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个），此时码元为M进制码元。
上图中，只有2种状态，因此是二进制码元。红线所划的1小段就是码元（码元不是把所有的几段加在一块），老师课上这么说：把1和0看成乘客，码元就是载客汽车。码元就是携带一个或多个比特的信息量，在现实世界里是以信号波的方式存在。
如何理解携带多个比特的信息量，以及码元宽度会不会改变？
对于四进制码元来说，每个码元携带2比特的信息量。码元宽度变为2，携带的比特信息量也改变了。
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来表示。
- 码元传输速率：它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，即1s内传输多少个码元，单位是波特（Baud，简写为B）。码元速率与进制数无关，只与码元长度有关。
- 信息传输速率（important）：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（bit/s、bps、b/s 三种表示形式都可以）。
- 波特和比特的关系：波特相当于通过的车没有限定，可以是2人小跑车也可以是10人大卡车；比特有规定，只能乘坐0/1这两位乘客。若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率对应的信息传输速率为 M×n bps。
小题目：码元传输速率为每秒传输1000个四进制码元，问信息传输速率为多少？
码元传输速率为1000B，四进制码元，每个码元携带2bit的信息量，因此 1000×2 = 2000。信息传输速率为2000bps。
带宽表示在单位时间内从网络种的某一点到另外一点能通过的“最高数据率”/单位时间内通过链路的数量。常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特/秒。
类比：一条高速公路比较窄，每秒可以容纳5量小汽车；一条高速公路比较宽，每秒可以容纳10量小汽车。那么比较宽的高速公路带宽也比较宽。
与信息传输速率的联系：带宽用于描述网络连接的最大传输能力，是理想情况下的最大值。信息传输速率用于描述实际的数据传输速度，可能会受到多种因素的影响，如网络拥塞、信号干扰、协议开销等，一般低于带宽速率。（可以类比成高速限速和高速实际开车速度）
通信方式&数据传输方式：
1.单工通信（单向通信）：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。（例如广播）
2.半双工通信（双向交替通信）：通信双方都能发送或接受信息，但不能同时，需要2条信道。（例如对讲机）
3.全双工通信（双向同时通信）：通信双方可以同时发送或接收消息，需要2条信道。（例如打电话）
对于数据传输方式来说，串行就是一个一个bit来发送，并行就是一个一个字节来发送。正因此，串行传输需要1条信道，并行传输需要8条信道。
并行传输常见于计算机内部的数据传输，串行传输常见于网络传输。
同步传输可以看作是第一章中的报文交换，异步传输可以看作是第一章中的分组交换。
总结：
奈氏准则&香农定理（important）：
失真：现实中由于一些不可避免的因素，发送信号的波形有可能会变得不那么清晰，这就是失真（失去真实图形）。
影响失真程度的因素：1.码元传输速率 2.信号传输距离 3.噪声干扰
信道带宽：信道（信息通道）能通过的最高频率和最低频率之差，即为信道带宽。
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。（当失真过于严重时，就会出现码间串扰）
上图中，最高频率为3300Hz，最低频率为300Hz，因此信道带宽为3000Hz。振动频率过低会导致其极易受到衰减，最后导致信号的消失；振动频率过快会导致失真过于严重，从而导致码间串扰（机器无法识别）。
注：只有频率过高时导致的失真，才叫作码间串扰。
奈氏准则：在理想的无噪声条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud（别问2W怎么算出来的，问就是我也不知道），W是信道带宽，单位为Hz（带宽在奈氏、香农两个公式里都是以Hz为单位的）。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制。但根据上文所讲的波特和比特的关系，我们也不难得出其极限数据传输率（即上图公式）。
题目：
上题中，信号总共有16种变化。每个相位有4种振幅，因此是4×4 = 16。可以通过信号波来理解，不同相位不同频率，波形是不同的。因为波形的不同，代表的0/1也不同，因此有16种不同的波形。（从代表0000的波形 ~ 代表1111的波形）
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息数据传输速率有上限值。这个上限值，即为香农公式所求。
噪声存在于所有的电子设备和通信信道种。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。
有时候信号的功率远高于噪声的功率，此时可以通过取S/N的对数，然后乘以10来解决，两个公式在数值上等价，只是表示方式不一。即如下图公式所示：
注：题目中有dB单位的指代的就是下面那个存在对数的公式，没有dB单位的指代的就是S/N。
根据香农定理，信道的极限数据传输速率为：
记忆方法：带宽×信号强度（ 信号强度 类比成 码元携带比特信息量，1个bit是最少的，因此是1+xxx；信噪比就可以看作是还没有算上的比特信息量）
题目：
只要信息传输速率低于信道极限传输速率，就一定能找到某种办法来实现无差错的传输。
编码&调制：
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受信道。
传输信号：模拟信道（传送模拟信号） 数字信道（传送数字信号）
传输介质：无线信道 有线信道
在基带传输时，我们会根据不同的方式来进行编码。编码就是把比特流用一种特定的信号波表示方法表示出来。载波调制可以想象成整容，调整以后以便于在信道中传输。
数据变成数字信号，用的是编码；数据变成模拟信号，用的是调制。
数字数据编码为数字信号：
常用的四种编码方式：1.非归零编码 2.曼彻斯特编码 3.差分曼彻斯特编码 4.归零编码（还有两种教科书上并未讲解，故此处省略）
- 非归零编码（高1低0）容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步（例如连续有10000个1，那么信号波就表示成一条直线，同步起来就比较困难）
- 归零编码就是信号电平在每个码元之间都要恢复到零，其他性质和非归零编码无异
- 曼彻斯特编码即前高后低即为1，前低后高即为0。也可以采用相反的规定（具体看题目的规定）。这种编码下，就算是连续的1也会发生跳变，同步起来就比较方便，因此是比较常用的。可以理解成一个比特的数据用两个电平来表示，最极限情况下，还是10000个1，此时每个比特都需要2次脉冲（当中1次+开始时1次），所以数据传输速率只有调制速率的1/2
- 差分曼彻斯特编码是同1异0的编码方法。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。常见于局域网传输
- 信号电平：一条水平且无间断的横线，强调电平相同时一般是指横线位置相同
- 跳变：横线突然从高处下降到了低处，或者从低处上升到了高处
- 脉冲：跳变的次数
数字数据调制成模拟信号
注：调幅也可以表示成幅移键控（ASK），调频可以表示成频移键控（FSK），调相可以表示成相移键控（PSK）
调制中，根据不同的基带信号，给出不同样式的波型。
QAM（正交幅度调制）：
模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的都是二进制数据，所以需要把音频数字化。最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它包括三步：抽样、量化、编码。
抽样：检查数据的某一点电压数值
量化：对电压进行规整操作（例如5.2V变成5V）
编码：把这些电压编制成对应的二进制编码
模拟数据调制为模拟信号
该调试方式可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式。（复用技术教科书上是在第二章讲解的，笔者根据王道考研课程安排一同放在第三章进行讲解）
例子：类似于把声波不做任何处理，直接加强频率然后放在信道中传输。（扩音器的哥哥，扩频器？）
物理层传输介质：
导向性传输介质：类似于火车，有自己的铁轨，会始终沿着路线行驶
非导向性传输介质：类似于飞机，即使有航线，但略微的偏差都是无伤大雅的
导向性传输介质：
1.双绞线
2.同轴电缆
3.光缆
光缆有以下优点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 无串音干扰，保密性好
- 体积小，重量轻
非导向传输介质（无线传输）：
物理层的接口特性：
记忆方法：
机械特性：插线板
电气特性：100V~220V
功能特性：0V表示低电平，1V表示高电平
过程特性：0->1->2->……
注：物理层考虑的是如何在连接各自计算机的传输介质上传输比特流，而不指具体的传输介质。
原文地址：https://blog.csdn.net/2302_80297338/article/details/144320680
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