计算机网络自底向上——物理层笔记整理

计算机网络第二章 物理层 思维导图

一、物理层基本概念

1. 核心作用
   • 屏蔽不同传输媒体/通信手段的差异
   • 在传输媒体上传输数据比特流（非关注具体媒体，仅关注“比特流传输”过程）
2. 四大接口特性（定义物理层与传输媒体的交互规则）
   • 机械特性：接线器形状、尺寸、引线数/排列、固定装置（如RJ-45插头规格）
   • 电气特性：接口电缆线的电压范围（如TTL电平：0_0.8V为0，25V为1）
   • 功能特性：某电平/信号的含义（如“高电平表示数据1”）
   • 过程特性：不同功能事件的出现顺序（如“先建立物理连接，再传输比特流”）

二、数据通信基础知识

1. 数据通信系统模型
   • 三部分：源系统（源点→发送器，如计算机→调制解调器）、传输系统（如公用电话网）、目的系统（接收器→终点，如调制解调器→计算机）
   • 信号转换：数字比特流↔模拟信号（调制/解调过程）
2. 基本术语
   • 数据：运送消息的实体（如文本、图片）
   • 信号：数据的电气/电磁表现（模拟信号：取值连续；数字信号：取值离散）
   • 码元：数字信号中代表离散数值的基本波形（如1个二进制码元对应1bit）
3. 信道分类
   • 按通信方向：单工（收音机）、半双工（对讲机）、全双工（电话）
   • 按信号类型：基带信道（传基带信号，如以太网）、带通信道（传带通信号，如无线通信）
4. 编码与调制
   • 基带调制（编码）：仅变换波形，仍为基带信号（不归零制、曼彻斯特编码等）
   • 带通调制：用载波搬移频率（调幅AM、调频FM、调相PM、正交振幅调制QAM）
5. 信道极限容量（计算大题重点）
   • 奈氏准则（无噪声理想信道）
     • 核心：避免码间串扰，码元传输速率有上限
     • 公式：码元速率上限 ( R_B = 2W )（单位：波特Baud；( W ) 为信道带宽，单位：Hz）
     • 推导：若为 ( M ) 进制码元（每个码元含 ( \log_2 M ) bit），则数据速率 ( R_b = R_B \times \log_2 M = 2W \log_2 M )（单位：bit/s）
     • 例题场景：给定信道带宽、码元进制，求最大数据速率（如“3kHz带宽的信道，用8进制码元，求最大数据速率”）
   • 香农公式（有高斯白噪声信道）
     • 核心：带宽和信噪比共同决定极限信息传输速率
     • 公式：极限速率 ( C = W \log_2(1 + S/N) )（单位：bit/s；( W ) 为带宽Hz，( S/N ) 为信噪比，无单位）
     • 关键换算：信噪比（dB）( = 10 \log_{10}(S/N) )（需先由dB值求 ( S/N )，再代入公式）
     • 例题场景：给定带宽、信噪比dB值，求最大传输速率（如“6MHz带宽，信噪比30dB，求极限速率”）

三、传输媒体

1. 导引型传输媒体（电磁波沿固体传播）
   • 双绞线：UTP/STP，EIA/TIA-568分类（5类/超5类/6类常用），用于局域网（10BASE-T）
   • 同轴电缆：50Ω（LAN/数字）、75Ω（有线电视/模拟），抗干扰强
   • 光纤：多模光纤（短距低速）、单模光纤（长距高速），抗干扰、容量大（用可见光传输）
2. 非导引型传输媒体（电磁波在自由空间传播）
   • 无线电波：短波（电离层反射）、超短波（WiFi的ISM频段）
   • 微波：地面微波接力（基站）、卫星通信（长距广域）
   • 红外线：短距通信（红外遥控器）

四、信道复用技术（码分复用计算大题重点）

1. 复用核心：多个用户共享同一信道，降低成本、提高利用率
2. 常见复用技术
   • 频分复用（FDM）：按频率划分频段，用户独占频带
   • 时分复用（TDM）：按时间划分TDM帧，用户占固定时隙（可能浪费资源）
   • 统计时分复用（STDM）：按需动态分配时隙，提高利用率
   • 波分复用（WDM）：光的频分复用，一根光纤传多光载波
   • 码分复用（CDM/CDMA）（计算大题重点）
     • 核心：用户用唯一码片序列，信号叠加后可通过“内积”解调
     • 码片序列规则：
       • 发送1：传原码片；发送0：传码片反码（0→-1，1→+1，便于计算）
       • 不同用户码片正交（内积=0，无干扰）；自身码片内积=1，反码内积=-1
     • 计算步骤：
       1. 转换码片（0→-1，1→+1）
       2. 计算混合信号（多用户码片叠加）
       3. 内积运算（混合信号×目标用户码片，求和÷码片长度）
       • 结果=+1→用户发1；结果=-1→用户发0；结果=0→无该用户信号
     • 例题场景：2个用户分别发1和0，给定码片序列，求接收方解调结果

五、数字传输系统

1. 早期PCM标准：北美T1（1.544Mbit/s，24路）、欧洲E1（2.048Mbit/s，30路），我国用E1
2. 同步传输标准（SONET/SDH）
   • SONET：基本速率OC-1（51.84Mbit/s）
   • SDH：基本速率STM-1（155.52Mbit/s，对应OC-3），实现全球数字传输体制统一

六、宽带接入技术

1. ADSL：改造电话线，非对称（下行快于上行），用DMT技术分子信道（第二代ADSL2+下行达25Mbit/s）
2. HFC网：基于有线电视网，主干光纤+接入同轴，用电缆调制解调器（下行3~30Mbit/s）
3. FTTx：光纤接入（FTTH/FTTB/FTTC），常用无源光网络（PON），需PPPoE拨号