计算机网络「二」—— 物理层（多图详解）

本文自学计算机网络时所写笔记，网课为B站湖科大教书匠的计算机网络微课堂。（强烈安利这个课程，讲课思路条理清晰，PPT美轮美奂、通俗易懂）本文为第二章笔记，陆续会更新余下内容文章目录一、物理层基本概念二、物理层下面的传输媒体1. 导引型传输媒体2. 非导引型传输媒体三、传输方式1. 串行传输、并行传输2. 同步传输、异步传输3. 单向通信、双向交替通信、双向同时通信四、编码与调制1. 编码、调制、

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15169人浏览 · 2021-09-09 21:39:08

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本文自学计算机网络时所写笔记，网课为B站湖科大教书匠的计算机网络微课堂。（强烈安利这个课程，讲课思路条理清晰，PPT美轮美奂、通俗易懂）

本文为第二章笔记，陆续会更新余下内容

计算机网络「一」计算机网络概述（确定不进来看看？）

一、物理层基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

计算机网络体系结构中的物理层，就是要解决在各种传输媒体上传输比特 0 和 1 的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务
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物理层为了解决传输比特 0 和 1 的问题，主要有以下四个任务

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

二、物理层下面的传输媒体

本节内容作为科普，了解即可

传输媒体分为两类：导引型传输媒体、非导引型传输媒体

导引型传输媒体：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线；
非导引型传输媒体：无线电波、微波、红外线、可见光

1. 导引型传输媒体

同轴电缆
双绞线

需要记住绞合的作用：抵御外界电磁波干扰、减少相邻导线的电磁干扰
光纤
电力线
目前如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线是不能满足要求的

2. 非导引型传输媒体

可以利用利用电磁波在自由空间的传播来传送信息
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1. 无线电波

LF和MF频段依靠地面波
HF和VHF频段依靠电离层的反射

2. 微波

微波在空间主要是直线传播，微波会穿透电离层进入宇宙空间
分为地面微波接力通信、卫星通信

3. 红外线

点对点无线传输
直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低（4Mb/s~16Mb/s)

4. 可见光

LIFI（Light Fidelity）光保真技术，又称为可见光无线通信，该技术是一种利用可见光波谱进行数据传输的全新无线传输技术。LIFI通过在LED上植入一个微小的芯片，利用电信号控制发光二极管（LED）发出肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息，这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接只要在室内开启电灯，无需WIFI也可接入互联网。

LIFI技术目前处于研究阶段

三、传输方式

1. 串行传输、并行传输

串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，只需要一条数据传输线路
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并行传输：一次发送 n 个比特，需要 n 条传输线路

并行传输是速度是串行传输的 n 倍，但是成本高

在计算机网络中，数据远距离传输使用串行传输，计算机内部的数据传输，常使用并行传输

2. 同步传输、异步传输

1. 同步传输

同步传输：数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔，接收端在每个比特的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0或是比特1。
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由于不用设备的时钟频率存在差异，传输大量数据时，所产生判别时刻的累计误差会导致对比特信号的判别错位，需要采取方式使双方时钟同步。

实现收发双方时钟同步的方法

外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如传统以太网所采用的曼切斯特编码）

2. 异步传输

异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此通常在每个字节的前后分别加上起始位和结束位。
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字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间相同）

3. 单向通信、双向交替通信、双向同时通信

1. 单向通信（单工）

单向通信：又称单工通信，通信双发只有一个传输方向
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例如，无线电广播就采取这种方式

2. 双向交替通信（半双工）

双向交替通信：通信双方可以互相传输数据，但不能同时进行
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例如，对讲机采取此通信方式

3. 双向同时通信（全双工）

双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息
**2. 双向交替通信（半双工）**

例如，电话采取此通信方式

单向通信需要一个信道，而双向交替通信、双向同时通信需要两个信道（每个方向各一个）

四、编码与调制

1. 编码、调制、码元概念

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，它们可以统称为 消息。数据是运送消息的实体。计算机中的网卡将比特0和1变换成相应的 电信号 发送到网线，也就是说 信号是数据的电磁表现。

由信源发出的原始电信号称为 基带信号 ，基带信号分为 数字基带信号、模拟基带信号 两类。信号需要在信道 中传输，信道可分为 数字信道和 模拟信道 两种。

编码

把数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输，称为 编码。例如，以太网使用曼切斯特编码，4B/5B，8B/10B 等编码
将模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输，也称为 编码。例如，对音频信号进行编码的脉码调制 PCM
常见编码有 归零编码、不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

调制

将数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输，称为 调制。例如，WIFI 采用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方式
将模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输，也称为 调制。例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输

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码元

码元是指在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。简单来说码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息

2. 常用编码

1. 不归零编码（NRZ）：存在同步问题

所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平
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需要额外一根传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元
由于不归零编码存在同步问题，因此计算机网络中的数据传输不采用此类编码

2. 归零编码（RZ）：自同步，编码效率低

每个码元传输结束后信号都要 “归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于将时钟信号用 “归零” 方式编码在了数据之内，这种称为 “自同步” 信号
但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输 “归零” 而浪费

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3. 曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。例如，负跳变表示比特 1，正跳变表示比特 0。

码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据
传统以太网就使用的曼切斯特编码

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4. 差分曼彻斯特编码：比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

跳变仅表示时钟
码元开始处电平是否发生变化表示数据

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补充：反向不归零编码

NRZI 编码（Non Return Zero Inverted Code），即反向不归零编码。其实NRZI编码方式非常的简单，即信号电平翻转表示 0，信号电平不变表示 1。

例如想要表示00100010(B)，则信号波形如下图所示：

3. 基本调制方法

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基本调制属于二元制，也就是只能调制出两种基本波形，每种波形表示1比特的信息量
基本调制包括调幅AM、调频FM、调相PM。调幅信号有两种不同振幅的基本波形构成；调频信号由两种不同频率的基本波形构成；调相信号由两种不同初相位的基本波形构成
如果要使一个码元包含多个比特信息，可以采用混合调制的方法

4. 混合调制

混合调制，属于多元制，也就是可以调制出多种基本波形

因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调制频率和相位中的一个。通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为 正交振幅调制 QAM。

举例：正交振幅调制 QAM-16

可以调制出 12 种相位
每种相位有 1 或 2 种振幅可选
因此共可以调制出 16 种码元（波形），每种码元可以对应表示 4 个比特
码元与 4 个比特的对应关系不能随便定义，应采用格雷码。任意两个相邻码元之间只有 1 个比特不同

五、信道极限容量

1. 信号失真

信号在传输过程中会受到各种因素的影响，使得信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为 码间串扰 ，如图
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造成信号失真的因素

码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量

2. 奈氏准则、香农公式

奈奎斯特（Nyquist）定理又称奈氏准则
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码元传输速率 又称为 波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特比特率的关系：
1. 当1个码元只携带 1 比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的
2. 当1个码元携带 n 比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以 n
要提高信息传输速率（比特率)，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制，例如 QAM-16
实际信道所能传输的码元速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。奈氏准则是理想条件下推导的，没有考虑传输距离、噪声干扰等因素

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