02 物理层
第二章 物理层¶
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2.1 物理层的基本概念¶
物理层解决的问题：如何在连接的各种计算机媒体上传输数据比特流
作用：物理层提供比特流的传输服务即可（数据链路层享受服务）
传输媒体：导引型（可见的网线，双绞线，同轴电缆） 或者 非导引型（无线网）
协议：机械属性（引脚的顺序），电气属性（电压），功能属性，过程属性，了解
2.2 物理层下面的传输媒体¶
同轴电缆：有线电视线（电阻不同），成本高，不灵活，现在不用了
双绞线：日常的网线（八根）
光缆：通信容量大，传输损耗小，抗电磁干扰，重量轻；缺点是接口昂贵。光缆的原理：内部是玻璃丝，和外层的反射率不同。当入射角较大时，光全反射，实现信号的传输。入口和出口使用发光二极管和光电二极管处理（或者激光）
单模光纤和多模光纤：多模光纤发射的多束光，可能干扰（短距离传输）。单模发射的一束光，可能存在干扰（远距离传输）。
2.3 传输方式¶
串行传输和并行传输：计算机内部的数据传输（不同CPU和内存）是并行传输，通过数据总线
同步传输和异步传输：同步传输是每个字节之间直接发送，异步是不同字节间隔不一样的时间发送。需要考虑发送方和接收方的延迟。
单向通信、半双工通信、全双工通信
2.4 编码与调制¶
编码：文件和多媒体首先转换成二进制，二进制转换成电信号，电信号分为数字信号和模拟信号，可以在数字信道上或者模拟信道上传输，那么需要进行转码编码（理论上数字信号也可以在模拟信道上传输）。
数字信号在数字信道中传输，直接编码；数字信号在模拟信道中传输，需要调制（例如 WiFi 使用补码键控，正交频分等调制方法）。在模拟信道上传输都需要调制。
码元：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（频率域）。简单理解，就是一个基本的波段（基准波）
常用编码：
- 不归零编码（传递信号时，直接从低电平跳到高电平）
- 归零编码（在传递信号时，也需要传递时间信号，每个码元结束后信号都要归零，接收方只需要在信号归零后采样即可，不需要单独的时钟信号，也就是自同步）
- 曼彻斯特编码（码元中间时刻的跳变，既表示时钟，又表示数据）需要规定，从正电平跳转到负电平是表示 0 还是1 （实际需要约定是0还是1）
前两个编码，通过高电平低电平传输信号；曼彻斯特编码使用电平的变化传输信号
基本调制方法：调幅（调节振幅）；调频（调节频率）；调相（调节相位）通过幅度频率相位的不同，表示数字01。
通常使用相位和振幅集合调整（正交振幅调制 QAM）一共12种相位，每种相位有1-2种振幅可选，可以调制16中码元（波形），每一个码元可以对应4个比特。
（这部分需要通信原理基础课程，与编程关联不大，了解即可）
2.5 信道的极限容量¶
信号在信道中传输，如果噪声较小，那么信号时正常的。如果噪声很大，那么信号就无法使用。当噪声一定时，需要改变信号的振幅和强度等，用来提升信噪比。
失真原因：码元传输速率；信号传播距离；噪声干扰；传输媒体质量。
奈氏准则：在假设理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。理想低通信道最高速率是 2W Baud(波特，码元/秒) ，理想带通信道最高码元速率是 W Baud。
码元传输速率（波特率，调制速率）与比特率的关系：如果一个码元只携带一个比特信息量时（一个波形表示一个比特），则波特率 = 比特率。如果一个码元携带 N 个比特信息量时，波特率 = N * 比特率。所以要提高信息传输速率，就需要提高每一个码元能携带更多比特的信息量（多元制）。实际信道所能传输的最高码元速率，明显低于奈氏准则给出的这个上限。
香农公式：带宽受限且有高斯白噪音的信道，的极限信息传输速率。
c = W * log2(1 + S / N)
c：信道的极限信息传输速率（b/s）
W: 信道带宽（Hz）
S: 信道内所传信号的平均功率
N: 信道内的高斯噪声功率
S/N 信噪比（dB = 10 * log10(S/N)) 单位是分贝
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，想要提高信息的传输速率，就必须采用多元制（更好的调制方法），提高信道中的信噪比。
例题1：会影响信道数据传输速率的是：信噪比；频率带宽；调制速度。不会影响数据传输速率的是信号传播速度。根据香农公式，传输速度©和频道带宽(W)成正比，和信噪比也有关（对数关系）。根据奈氏准则，调制速度决定了每秒产生对少信号，和传输速率有关。信号传输速度和信道数据传输速率没有直接关系。
还有涉及香农公式的计算（目前了解为主）
2.6 第2章 物理层 章节小结¶
主要知识点
- 物理层要解决的问题；
- 物理层协议的主要任务；
- 物理层下面的传输媒体；
- 物理层传输方式：串行传输（多个比特在一根传输线上传输）和并行传输（多个比特在多根传输线上传输，用于计算机内部数据传输）；同步传输（一个比特接着一个传输，中间没有间隔，每个比特的市场相等）异步传输；单工传输双工传输
- 编码和调制：编码（数字信号转换成另一种数字信号，在数字信道中传播；模拟信号转换成数字信号，在数字信道中传播）；调制（任何信号转换成模拟信号，在模拟信道中传播，分为基本调制和混合调制，二元制和多元制）；码元
- 信道的极限容量（香农定律，奈氏准则）——重点和难点
2.7 第2章 物理层 习题课¶
1、物理层协议主要任务：怎样在连接各种计算机的传输媒体上，传输数据比特流。为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使得数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不需要考虑网络具体的传输媒体是什么
- 机械特性：接口和接线器的外形（形状尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置）
- 电气特征：接口电缆上各条线的电压范围
- 功能特征：某一个电平的电压的意义
- 过程特征：不同功能的各种可能事件的出现顺序
特殊：物理地址是 MAC 地址（硬件地址），属于数据链路层
2、奈氏准则：理想低通信道最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W (码元每秒)；理想带通信道的最高码元传输速率是 W Baud（波特）
不管什么技术，主要关注可以调制的不同波形（码元）的数量(X)
数据传输速率（比特每秒） = 码元传输速率（码元每秒） * 每个码元可以携带的比特数量 log2X
3、香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
c = W * log2(1 + S / N) 信噪比通常需要和分贝转换 dB = 10 * log10(S/N)
信道带宽越大，或者信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
4、编码类型：不归零编码NRZ，归零编码RZ，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码，反向不归零编码 NRZI 等。