【深入理解计算机网络04】通信基础核心知识全解析：从信号原理到物理层设备
目录
通信基础
信道的极限容量
奈奎斯特定理
香农定理
编码与调制
编码方法
调制方法
传输介质
有线传输介质
双绞线
同轴电缆
光纤
以太网对有线传输介质的命名规则
无线传输介质
物理层接口的特性
物理层设备
中继器（Repeater）
集线器（Hub）
通信基础
信源：数据的发送方
信宿：数据的接收方
数据：信息的实体，计算机内部的数据通常是二进制
信号：数据的载体
数字信号：信号值是离散的
模拟信号：信号值是连续的，抗干扰能力更强
码元：一个信号就是一个码元，可以是多个比特的载体。
码元携带的比特位越多，一个信号所能表现出的不同的状态越多。如果一个码元可能有4种状态，那么可以称其为4进制码元（一个码元携带2bit数据）
优点：
每个信号周期可以传输更多的信息，每个码元可以携带更多信息。
代价：
需要加强信号功率，对信道的要求更高
信道的极限容量
噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率
奈奎斯特定理
解释了对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），极限波特率 = 2W（W是信道的频率带宽，单位波特即 码元/s）
- 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接受方无法识别码元
- 带宽越大，信道传输码元的能力越强
- 奈奎斯特定理没有解释一个码元最多可以携带多少比特
香农定理
解释了对于一个有噪声、带宽有限的信道的极限比特率 = Wlog2(1 + S/N，单位b/s)
信噪比（S/N）= 信号的功率 / 噪音的功率
在通信领域，信号功率往往比噪声功率大得多，因此采用无单位记法：
以dB（分贝）为单位表示信噪比：信噪比 = 10log10(S / N)
- 提高信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率都可以提高信道的极限比特率
- 在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的
编码与调制
编码方法
不归零编码：低位代表0，高位代表一1。
- 无法分辨频率，不支持自同步
- 抗干扰能力弱
- 不浪费带宽
归零编码：低位代表0，在每一位中间都会归0。
- 能够分辨出频率，支持自同步
- 抗干扰能力弱
- 浪费带宽
反向非归零编码：跳变的时候代表0，不跳变代表1。
- 无法分辨频率。若增加冗余位，可支持自同步
- 抗干扰能力弱
- 浪费较少带宽
曼彻斯特编码：看一个位的中间，上跳代表0，下跳代表1，中间一定会变化。
- 可以分辨频率。支持自同步
- 抗干扰能力强
- 浪费带宽
差分曼彻斯特编码：看起点，跳变代表0，不跳变代表1，中间一定会变化。
- 可以分辨频率。支持自同步
- 抗干扰能力强
- 浪费带宽
调制方法
基带信号：来自信源的数字信号，需要调之后才能在某些信道上传输
调幅AM（ASK）：
- y = 0 * sin2x -> 二进制0
- y = 1 * sin2x -> 二进制1
调频FM（FSK）：
- y = sin1 * x -> 二进制0
- y = sin2 * x -> 二进制1
调相PM（PSK）：
- y = sin(x + 0) -> 二进制0
- y = sin(x + π) -> 二进制1
正交幅度调制（QAM）：
将AM、PM结合起来形成叠加符号即为QAM
将m种幅值、n种相位的AM、PM相结合，则可以调制出 mn 种信号
传输介质
有线传输介质
双绞线
- 由两根导线相互绞合构成
-
- 屏蔽双绞线（STP），有屏蔽层
- 非屏蔽双绞线（UTP），没有屏蔽层
- 绞合、屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力
- 应用：局域网、早期电话线
同轴电缆
- 由内导体（用于传输信号）+外导体屏蔽层（抗电磁干扰）构成
- 屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力
- 应用：早期局域网、有线电视
光纤
- 由纤芯（高折射率） + 包层（低折射率）构成，利用光的全反射特性在纤芯内部传输光脉冲信号
- 分为单模光纤和多模光纤
-
- 单模光纤：纤芯更细，只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
- 多模光纤：纤芯更粗，多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离信号容易失真
- 抗干扰能力强，光信号对电磁干扰不敏感
- 信号传输损耗小，长距离传输时中继器少（中继器用于应对信号失真情况，当信号传到中继器时对信号进行整形和放大）；节省布线空间
以太网对有线传输介质的命名规则
速度 + Base + 介质信息
- 10Base5 ——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离 500m
- 10Base2 ——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离 200m（实际是 185）
- 10BaseF* ——10Mbps，光纤。* 可以是其他信息，如 10BaseFL、 10BaseFB、 10BaseFP
- 10BaseT* ——10Mbps，双绞线。* 可以是其他信息，如 10BaseT1S、 10BaseT1L
无线传输介质
无线电波：
穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱
应用：WIFI、手机信号
微波通信：
频率带宽高、信号指向性强、保密性差
应用：卫星通信
红外线通信、激光通信：
信号指向性强
物理层接口的特性
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制等
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
- 过程特性（规程特性）：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
物理层设备
中继器（Repeater）
如果传输距离过长，数字信号会失真。因此需要中继器对信号进行整形再生，确保信号不会失真严重
- 只有两个端口，一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口
- 两端连接的节点不可以同时发送数据
集线器（Hub）
本质上是多端口中继器
冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致冲突，则这两台主机处于同一个冲突域