计算机网络重要知识点摘录（考研用）——第二章：物理层

本文参考于《2021年计算机网络考研复习指导》（王道考研），《计算机网络》

波特和比特是两个不同的概念，码元传输速率也称调制速率、波形速率或符号速率。但码元传输速率与信息传输速率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

1.奈奎斯特定理

奈奎斯特定理又称奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍），则极限数据率为
理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V（单位为b/s）

2.香农定理

香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为：
信道的极限数据传输率=Wlog₂（1+S/N）（单位为b/s）
W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10log₁₀（S/N）（单位为dB），例如当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

1.数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效地把1和0区分开即可，常用的编码方式有以下几种：

（1）归零编码
在归零编码RZ中用高电平代表1，低电平代表0（或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。
（2）非归零编码
非归零编码NRZ与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。
（3）反向非归零编码
反向非归零码NRZI与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。 USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码。
（4）曼彻斯特编码
曼彻斯特编码将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法则正好相反。当然，也可以采用相反的规定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。曼彻斯特编码每2个码元表示一个bit。
以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

2.数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的调制方法有如下几种：
（1）幅移键控（ASK）
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
（2）频移键控（FSK）
通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较广泛。
（3）相移键控（PSK）
通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相
（4）正交振幅调制（QAM）
在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输率R为
R=Blog₂（mn）（单位为b/s）
下图所示是二进制幅移键控、频移键控和相移键控的例子。2ASK中用载波有幅度和无幅度分别表示数字数据的1和0；2FSK中用两种不同的频率分别表示数字数据1和0；2PSK中用相位0和相位π分别表示数字数据的1和0，是一种绝对调相方式

采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此，将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f_采样必须大于等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。另外，采样定理又称奈奎斯特定理。

2.2.2 物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不指具体的传输媒体。物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层只需考虑本层的协议和服务。物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
（1）机械特性
主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等。
（2）电气特性
规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
（3）功能特性
指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，接口部件的信号线（数据线、控制线、定时线等）的用途
（4）规程特性
主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系

传输媒体与物理层：
传输媒体并不是物理层。由于传输媒体在物理层的下面，而物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么。也就是说，传输媒体并不知道所传输的信号什么时候是1什么时候是0。但物理层由于规定了电气特性，因此能识别所传送的比特流。

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

中继器又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）。

2.3.2 集线器

集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器，它也工作在物理层。集线器现已被交换机替代。当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效。从Hub的工作方式可以看出，它在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。
由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。 Hub的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段，同时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。

多台计算机必须会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。比如，一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s。

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