计网第二章——物理层

在学习第二章之前先回顾一下OSI参考模型中的物理层。

物理层的传输单位是比特，功能是在物理介质上为数据端设备透明地传输原始比特流。物理层主要研究以下内容：

①通信链路与通信结点的连接需要一些电路接口，物理层规定了这些接口的一些参数，如机械形状和尺寸、交换电路的数量和排列等，例如笔记本电脑上的网线接口。

②物理层规定了通信链路上所传输的信号的意义和电气特征。例如，若规定信号X代表数字0，则当结点传输0时就发出信号X。

注意，传输信息所用的一些物理介质（如双绞线、光缆、无线信道等）并不在物理层协议之内，而在物理层协议下面。因此，称物理/传输介质为0层。

通信基础

数据：传送信息的实体。

• 模拟数据：取值连续，如声音、温度、湿度等。
• 数字数据：取值离散，如照片、消息等内容，在计算机内部早已被处理成一连串的0和1，就是“数字数据”。

信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 模拟信号：取值连续，如连续变化的电磁波

• 数字信号：取值离散，比如电压的高低、光脉冲的有无等物理波形

信源

信道

信宿

噪声源

通信信道模型：

数据传输方式：

• 串行传输
• 并行传输

通信双方信息的交互方式：

• 单向通信
• 半双工通信
• 全双工通信

比特：信息的最小单位，取值只能是 0 或 1。

码元：在固定时长（码元周期）内，承载一定比特信息的信号波形（数字脉冲）。

1码元可以携带若干比特的信息，比如下图中的一个码元可能有4种变化形式，每种信号都对应一个4进制数，也就是携带2bit的信息。如果有16种变化形式就对应一个16进制数，也就携带4bit的信息。

码元传输速率/波特率：每秒传输几个码元；单位：码元/秒或者波特 Baud。1Baud表示数字通信系统每秒传输1个码元。

信息传输速率/比特率：每秒传输几个比特；单位：比特每秒，bit/s b/s bps。

波特率与比特率在数量上具有一定的关系。若一个码元携带n比特的信息量，则波特率M Baud对应的比特率为Mn b/s。

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信道的极限容量

在模拟信号系统中，带宽

在计算机网络性能指标中，带宽

奈奎斯特定理（奈氏准则）

如果码元传输速率查过上限，则会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确地识别码元。

码间串扰：具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输时就会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限。

从给出的公式中可以看出：带宽越大，信息传输码元的能力越强。

因为码元传输速率受奈氏准则制约，所以要提高数据传输速率，就要设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时需要采用多元制的调制方法。

这道题选C。

香农定理

从给出的这个公式中可以看出，提升信道带宽、增强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率。

综合考虑奈奎斯特定理和香农定理，可知，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。

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编码与调制

编码：将二进制数据转换为数字信号的过程；如果逆过来就叫做解码

有线网络适配器就是一种编码-解码器

调制：将数据转换为模拟信号的过程；如果逆过来就叫做解调。

光猫 optical modem 就是一种调制-解调器

4种编码与调制方式：

整个通信系统（WIFI/4G/5G）是为传输数字数据而设计和优化的。

场景描述	核心转换过程	关键步骤与目的
信息的存在形式	无论数据还是指令，在计算机内部均以二进制（0/1） 形式存在。	这是计算机能够处理和存储一切信息的基础。
近距离通信 （计算机内部或短距离设备间）	数字数据 → 数字信号 → 数字数据	编码：将二进制数据转换为适合在导线上传输的电脉冲（如高电平表1，低电平表0）。 解码：在接收端将电脉冲还原为二进制数据。整个过程信号始终保持数字形态。
远距离通信 （通过电话线、无线等）	数字数据 → 模拟信号 → 数字数据	调制：将数字信号“装载”到高频模拟电磁波上，以适应模拟信道远距离传输的特性。 解调：在接收端从模拟信号中“卸载”并还原出数字信号。

💡

• 为何近距离通信常用数字信号：在计算机内部或通过网线连接的局域网中，数字信号传输的优点是抗干扰能力强（因为只需要判断高、低电平），设备简单，且速度极快。并行通信（多条线同时传多位数据）曾用于短距离高速传输，但现在更主流的以太网等也使用串行数字通信。
• 为何远距离通信常需转换为模拟信号：现有的远距离通信基础设施（如电话线、电缆、无线电波）最初是为模拟信号（如声音）设计的。直接传输数字信号会遇到衰减和失真严重的问题，导致接收端无法识别。将数字信号调制到高频模拟信号上，可以更有效地利用信道，实现远距离传输和多路复用（一根线传多路信号）。

所以计算机网络只会对数字数据编码为数字信号和模拟数据编码为数字信号。

数字数据编码为数字信号

• 非归零编码(NRZ编码)：用高电平表示1，低电平表示0（或者相反），每个码元的中间不发生变化。简记为：低0高1，中不变。
• 归零编码(RZ编码)：**低0高1，中归0，与非归零编码相比就是每个码元的中间均跳变到零电平。**接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。
• 反向非归零编码(NRZI编码：Non-Return-To-Zero Inverted)：使用电平的跳变表示0、电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。

• 曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变及作为时钟信号，又作为数据信号。可用向下跳变表示1、向上跳变表示0，或者采用相反的规定。标准以太网使用的就是曼彻斯特编码。

• 差分曼彻斯特编码：数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示1，有跳变表示0。尽管每个码元中间也发生电平跳变，但仅表示时钟信号，而不表示数据。差分曼彻斯特编码被广泛应用于宽带高速网中。

模拟数据编码为数字信号

主要包括三个步骤：采样、量化和编码，常用于对音频信号进行编码的PCM编码。

采样定理解决的是如何将连续的模拟信号（比如你的声音）转换成计算机能处理的数字信号。它的核心要求是采样频率必须高于原始信号中最高频率成分的两倍。

数字数据调制为模拟信号

• 调幅AM/幅移键控ASK(Amplitude Modulation / Amplitude Shift Keying)：通过改变载波的振幅来表示数字信号1和0
• 调频FM/频移键控FSK(Frequency Modulation)：通过改变载波的频率来表示数字信号1和0。
• 调相PM/相移键控PSK(Phrase Modulation)：通过改变载波的相位来表示数字信号1和0。虽然两者的形状完全相同（频率和振幅都没变），但它们的起点（相位）不同
• 正交幅度调制QAM：在频率相同的前提下，将AM和PM结合起来，形成叠加信号。

• 模拟数据调制为模拟信号

模拟数据调制为模拟信号（如AM/FM广播）属于传统的模拟通信系统。这些内容通常在《通信原理》课程中详细讲解。在《计算机网络》课程中，它并非核心内容，只需知道有这种可能即可，所以一笔带过。

传输介质

传输介质/传输媒体

导向传输介质

非导向传输介质

双绞线

提高绞合度、增加屏蔽层→抗电磁干扰能力强→信道噪声功率低→信道的极限数据传输速率高

同轴电缆

光纤

对于一些有线传输介质命名的解读：

无线传输介质

• 无线电波
• 微波、红外线和激光

物理层接口特性：

物理层设备

中继器Repeater

信号经过一长段电缆后产生会发生失真和衰减，中继器的主要功能是整形、放大并转发信号。其原理是信号再生而非简单地放大衰减的信号。

集线器Hub（注意集线器的图标）

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这属于网络层中的知识：

各种中继设备对冲突域/广播域的划分

这里的域表示冲突或广播在其中发生并传播的区域。

冲突域：是指连接到同一物理介质上的存在介质争用的所有结点的集合。在OSI参考模型中，冲突域被视为第1层的概念，像集线器、中继器等简单无脑复制转发信号的第1层设备所连接的结点都属于同一个冲突域，也就是它们不能划分冲突域。而第二层（网桥、交换机）、第3层（路由器）设备都可以划分冲突域。

广播域：**是指接收同样广播消息的结点集合。**也就是说，在该集合中的任何一个结点发送一个广播帧，其他能收到这个帧的结点都认为是广播域的一部分。在OSI参考模型中，广播域被视为第2层的概念，像第一层（集线器等）、第二层（交换机等）设备所连接的结点都属于同一个广播域。而路由器，作为第3层设备，则可以划分广播域，即可以连接不同的广播域。

这一题选C。图中可以看出集线器有4个，每个集线器中的两个主机存在信道争用，所以会导致冲突，也就有4个冲突域。又因为路由器可以连接不同的广播域，图中只有1个路由器，所以有2个广播域。

集线器和中继器不能“无限串联”

下面这段可以了解一下：

复习

学完这一章回答以下问题：

1.传输介质是物理层吗？传输介质和物理层的主要区别是什么？

2.奈奎斯特定理和香农定理的主要区别是什么？这两个定理对数据通信的意义是什么？

3.信噪比为S/N，为什么还要计算为$10lo{g}_{10}(S/N)$？

因为很多时候，信号要比噪声强得多，如信号比噪声强10亿倍，若用数值

思维导图