1、通信基礎
1.1、物理層基本概念
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
傳輸媒體 就是數據在傳輸過程中需要經過的介質（光纖，電纜等），常把傳輸媒體看做五層模型的第0層，需要和物理層區分開！
物理層主要任務：確定與傳輸媒體接口有關的一些特性 --> 定義標准（再次提醒，物理層只管自己層次的設備、怎么把數據放到鏈路上傳輸、還有接口也就是定義標准）
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機械特性
定義物理連接的特性，規定物理連接時所采用的規格、接口形狀、引線數目、引腳數量和排列情況
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電氣特性
規定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等
比如：某網絡在物理層規定，信號的電平用 +10V ~ +15V 表示二進制0，用 -10V ~ -15V 表示二進制1，電線長度限於15m以內
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功能特性
指明某條線上出現的某一電平表示何種意義，接口部件的信號線的用途
描述一個物理層接口引腳處於高電平時的含義時
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規程特性
又叫 過程特性
定義各條物理線路的工作規程和時序關系
1.2、數據通信基礎知識
1）典型的數據通信模型
- 傳統電話網：需要調制解調器（貓）
- 現在的寬帶：不需要調制解調器（貓）
2）相關術語
通信的目的是傳送消息
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數據：傳送信息的實體，通常是有意義的符號序列
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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
- 數字信號
- 模擬信號
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信源：產生和發送數據的源頭
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信宿：接收數據的終點
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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
3）三種通信方式
從通信雙方信息的交互方式看，可以有三種基本方式:
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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
同一時間段只可以一個人在發送且整個時間段不能變成接收端，另一個人只能接收且不能變成發送端
類似bb機
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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
發送方可以成為接收方，類似對講機
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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
類似打電話
4）兩種數據傳輸方式
- 串行傳輸比較普及，並行傳輸用於計算機內部數據傳輸（打印機、掃描儀等）
1.3、碼元、波特、速率、帶寬
1）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大於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
- 4進制碼元：4種波形，1波形對應2個比特，而1波形代表1碼元，於是4進制碼元中1碼元攜帶2個比特信息量
2）速率、波特、帶寬
速率：
（按照1.1.3速率相關的性能指標--1速率的說法：速率即數據率或稱數據傳輸率或比特率。如果只說速率感覺就是信息傳輸速率），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。
傳輸速率 和 傳播速率 的區別：
傳輸速率是指連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據位數的速率（1.1.3速率相關的性能指標--1速率中提到了）
而傳播速率是在整個信道上進行傳播的速度。我們知道數據要進行傳輸的話，要先轉成信號的形式，然后以電磁波或者光波為載體傳輸，因此體現信道上的傳播速率就是電磁波或光波的傳播速率。
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碼元傳輸速率（1s傳輸多少個碼元）
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數)
單位是波特(Baud，1Baud = 1碼元/s)。1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元。這里的碼元可以是多進制的，也可以是二進制的，但碼元速率與進制數無關
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信息傳輸速率（1s傳輸多少個比特）
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，因為二進制中，一個碼元攜帶一個比特)，單位是比特/秒(b/s)
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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
例：若一個碼元攜帶2 bit的信息量（由此可知是4進制碼元），則5 Baud的碼元傳輸速率（即1s傳輸5個碼元）所對應的信息傳輸速率為5 ✖️ 2 = 10 bit/s
帶寬：
表示在單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”，常用來表示網絡的通信線路所能傳輸數據的能力。單位是b/s
帶寬是 理想狀態 中的傳輸速率（最高數據率），速率是指實際中的傳輸速率
1.4、編碼與調制
1）基帶信號 與 寬帶信號
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
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按傳輸信號的不同分為：
- 模擬信道（傳輸模擬信號）
- 數字信道（傳輸數字信號）
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按傳輸介質的不同分為：
- 無線信道（空氣傳輸）
- 有線信道（電纜，光纖傳輸）
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按傳送的信號分為：
- 基帶信號（可以是數字信號，也可以是模擬信號）
- 寬帶信號
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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)
解釋：
來自信源的信號，像計算機輸出的代表文字或圖像文件的數據信號（也是數字信號）都屬於基帶信號。
基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的信息的信號，比如說話的聲波（也是模擬信號）就是基帶信號。
在計算機網絡中，信源最開始發送的都是數字信號，這種數字信號直接放到數字信道上進行傳輸就叫做基帶傳輸
所以在計算機網絡中記住 基帶傳輸對應數字信道 就OK了！
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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)
解釋：
把基帶信號經過 載波調制 后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸( 即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道)
舉例：
一個播音員通過廣播講話，播音員的聲波（也是模擬信號）就是基帶信號。但是這個信號在傳輸過程中會有損耗，面對這種情況要把基帶信號進行 調制（即頻率提高），然后在接收端可以過濾出基帶信號（即解調）
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區別：
| 區別 | 基帶信號 | 寬帶信號 |
|---|---|---|
| 是否調制 | 直接傳播 | 調制后傳播 |
| 信號類型 | 數字、模擬信號 | 模擬信號 |
| 傳輸方式 | 基帶傳輸 | 寬帶傳輸 |
| 適用場景 | 近距離 電腦、顯示器連接 |
遠距離 |
2）編碼 和 調制
廣播員的例子就屬於模擬數據 --> 模擬信號
設備不是重點，理解就行
3）數字數據 編碼為 數字信號
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非歸零編碼[ NRZ]
高1 低0
編碼容易實現，但沒有檢錯功能，且無法判斷一個碼元的開始和結束，以至於收發雙方難以保持同步
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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 0 則正好相反；也可以采用相反的規定
該編碼的特點是在每個碼元的中間出現電平跳變，位中間的跳變既作時鍾信號(可用於同步)，又作數據信號，但它所占的 頻帶寬度 是 原始的基帶寬度 的兩倍
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。（這一點很特殊：1個時鍾周期內信號變了兩次或者說脈沖個數是2，於是調制速率或者說碼元傳輸速率是數據傳輸速率的2倍）
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差分曼徹斯特編碼
同1 異0
常用於局域網傳輸
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。特點：在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉，可以實現自同步，且抗干擾性強於曼徹斯特編碼
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歸零編碼[RZ]
信號電平在一個碼元之內都要恢復到零的編碼方式
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反向不歸零編碼[ NRZI]
信號電平翻轉表示0，信號電平不變表示1
缺點：對於全0的數據是OK的；如果發送端的信號是全1那么接收端就不知道發送了多少個1。於是還需要建立新的信道，發送端和接收端確定好時鍾周期，每個數據是多長。
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4B/5B編碼
比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1，就是用5個比特來編碼4個比特的數據，之后再傳給接收方，因此稱為4B/5B。編碼效率為80%。只采用16種對應16種不同的4位碼,其他的16種作為控制碼( 幀的開始和結束，線路的狀態信息等)或保留
4）數字數據 調制為 模擬信號
數字數據調制技術
發送端 將 數字信號 轉換為 模擬信號
接收端 將 模擬信號 還原為 數字信號，分別對應於 調制解調器 的 調制和解調 過程
5）模擬數據 編碼為 數字信號
計算機內部處理的是二進制數據，處理的都是數字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列(即實現音頻數字化)
最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈碼調制(PCM)，在計算機應用中，能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用於素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WAV文件中均有應用
它主要包括三步：抽樣、量化、編碼
- 抽樣：對模擬信號周期性掃描，把時間上 連續的信號 變成時間上 離散的信號。為了使所得的離散信號能無失真地代表被抽樣的模擬數據，要使用采樣定理進行采樣: f采樣頻率 ≥ 2f信號最高頻率
- 量化：把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標度轉化為對應的數字值，並取整數，這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量。（也就是碼元）
- 編碼：把量化的結果轉換為與之對應的二講制編碼。（也就是比特）
6）模擬數據 調制為 模擬信號
為了實現傳輸的有效性，可能需要較高的頻率
這種調制方式還可以使用頻分復用技術，充分利用帶寬資源
在 電話機 和 本地交換機 所傳輸的信號是采用模擬信號傳輸模擬數據的方式
模擬的聲音數據是加載到模擬的載波信號中傳輸的
7）總結
1.5、奈氏准則和香農定理
1）失真
影響失真程度的因素
前面三種是正相關，第四個是負相關。
- 碼元傳輸速率 越快越失真
- 信號傳輸距離 越遠越失真
- 噪聲干擾 越多越失真
- 傳輸媒體質量 越差越失真
2）碼間串擾
失真的一種現象
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。碼元的傳輸速率太快導致碼元之間界限不清楚，分不清是0還是1。於是有了奈氏准則
3）奈氏准則
又稱：奈奎斯特定理
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奈氏准則
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：計算機網絡中帶寬的單位一般是“比特每秒”，但是在奈氏准則和香農定理中帶寬單位是Hz
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理想低通信道下的 極限數據傳輸速率 = 2W log2V (b/s)
2W：極限碼元傳輸速率（這里的帶寬區分一下1.1.3速率相關的性能指標--2帶寬中的：最高數據率。這里的帶寬是指：極限碼元傳輸速率/2）；
log2V：就是一個碼元攜帶多少bit的信息量，V是V進制
- 結論
- 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
- 奈氏准則給出了碼元傳輸速率的限制，但並沒有對信息傳輸速率給出限制
- 由於碼元的傳輸速率受奈氏准則的制約，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
例題：
在無噪聲的情況下，若某通信鏈路的帶寬為3kHz ，采用4個相位，每個相位具有4種振幅的QAM調制技術，則該通信鏈路的最大數據傳輸率是多少?
信號有4x 4=16種變化
最大數據傳輸率=2 x 3k x4=24kb/s
4）香農定理
噪聲 存在於所有的電子設備和通信信道中。由於噪聲隨機產生，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
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香農(Shannon)定理 給出了 帶寬受限 且 有高斯噪聲干擾 的信道的 極限數據傳輸率，當用此速率進行傳輸時，可以做到不產生誤差
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香農定理定義為：信道的 極限數據傳輸速率 = W log2(1 + S/N) (b/s)
W 為信道的帶寬
S 為信道所傳輸信號的平均功率，N 為信道內部的高斯噪聲功率
S/N 為信噪比，即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比，信噪比 = 10 lg(S/N) (單位為分貝dB)
例如：當S/N= 10時，信噪比為10dB，而當S/N= 1000時，信噪比為30dB（10log101000）
log101000 = 3
- 結論
- 信道的帶寬W 或 信道中的信噪比S/N 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 低於 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
5）Nice 和 香濃
- 區別
- 奈氏准則只考慮了帶寬與極限碼元傳輸速率的關系
- 香農定理不僅考慮到了帶寬，也考慮到了信噪比。這從另一個側面表明，一個碼元對應的二進制位數是有限的
如果題目既給出 V 又給出 S/N，那么兩個都要算一下，取最小值
2、物理層傳輸介質
2.1、傳輸介質概念
傳輸介質 也稱 傳輸媒體/傳輸媒介
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
- 傳輸媒體並不是物理層
- 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，但傳輸媒體並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。
- 物理層是傻瓜，傳輸媒體連傻瓜都不如
2.2、分類
1）導向性傳輸介質
- 雙絞線
雙絞線是古老、又最常用的傳輸介質，它由兩根采用一定規則並排絞合的、相互絕緣的銅導線組成。絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾
為了進一步提高抗電磁干擾能力，可在雙絞線的外面再加上一個由金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線(STP)，無屏蔽層的雙絞線就稱為非屏蔽雙絞線(UTP)。
雙絞線價格便宜，是最常用的傳輸介質之一，在局域網和傳統電話網中普遍使用。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾公里到數十公里。
距離太遠時，對於模擬傳輸，要用放大器放大衰減的信號；對於數字傳輸，要用中繼器將失真的信號整形
- 同軸電纜
- 同軸電纜由導體銅質芯線、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外層構成
- 按特性阻抗數值的不同，通常將同軸電纜分為兩類: 50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜
- 其中，50Ω同軸電纜主要用於傳送基帶數字信號，又稱為基帶同軸電纜，它在局域網中得到廣泛應用
- 75Ω同軸電纜主要用於傳送寬帶信號，又稱為寬帶同軸電纜，它主要用於有線電視系統
同軸電纜 Vs 雙絞線
由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，被廣泛用於傳輸較高速率的數據，其傳輸距離更遠，但價格較雙絞線貴
- 光纖
光纖通信 就是利用 光導纖維( 簡稱光纖)傳遞光脈沖來進行通信
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有光脈沖表示1，無光脈沖表示0
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可見光的頻率大約是108MHz，因此光纖通信系統的帶寬 遠遠大於 目前其他各種傳輸媒體的帶寬
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光纖在發送端有光源，可以采用發光二極管或半導體激光器，它們在電脈沖作用下能產生出光脈沖；在接收端用光電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖
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光纖主要由 纖芯 (實心的! )和包層構成，光波通過纖芯進行傳導，包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的介質射向低折射率的介質時，其折射角將大於入射角。因此，如果入射角足夠大，就會出現全反射，即光線碰到包層時候就會折射回纖芯、這個過程不斷重復，光也就沿着光纖傳輸下去
光纖的特點
- 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。
- 抗雷電和電磁干擾性能好。
- 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據。
- 體積小，重量輕。
2）非導向性傳輸介質
2.3、總結
3、物理層設備
3.1、中繼器
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誕生原因
由於存在損耗，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。
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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
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中繼器的兩端
- 兩端的網絡部分是 網段，而 不是子網（鏈路層和網絡層會講到），適用於 完全相同的兩類網絡 的互連，且兩個網段 速率相同
- 中繼器只將任何電纜段上的數據發送到另一段電纜上，它僅作用於信號的電氣部分，並不管數據中是否有錯誤數據或不適於網段的數據。（傻，不會看數據是否有錯誤，只是單純發送）
- 兩端可連相同媒體，也可連不同媒體
- 中繼器兩端的網段一定要是 同一個協議。(中繼器不會存儲轉發，所以需要同一個協議，傻)
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5-4-3規則
網絡標准中都對信號的延遲范圍作了具體的規定，因而中繼器只能在規定的范圍內進行，否則會網絡故障。（最多5個網段、4個物理層設備、3個可以連接計算機）
3.2、集線器（多口中繼器）
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功能
對信號進行再生放大轉發，對衰減的信號進行放大，接着轉發到其他所有(除輸入端口外)處於工作狀態的端口上，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，是個共享式設備。
4、總結
