1.物理层的基本概念
物理层结局如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性→定义标准
物理层确定的特性：
- 机械特性：定义屋里连接的特性，规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
- 电气特定：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
- 规程特性：（过程特性）定义各条屋里线路的工作规程和时序关系
2.数据通信基础知识
2.1典型的数据通信模型
2.2数据通信相关术语
通信的目的是传送消息
- 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列、
- 信号：数据的电气/电磁表现，是数据在传输过程中的存在型式。分为：
数字信号：消息的参数取值是离散的。
模拟信号：消息的参数取值的连续的 - 信源：产生和发送数据的源头。
- 信宿：接受数据的重点。
- 信道：信号的传输媒介：一般来说表示向某一个反向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
根据传输信号可分为：模拟信道和数字信道
根据传输介质可分为：无线信道和有线信道
2.3三种通信方式
- 单工通信：只有一个方向的通信二没有反方向的交互，仅需要一条信道
- 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道
2.4 两种数据传输方式
- 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
- 并行传输：速度快，费用高，适合近距离，用于局算计内部的数据传输
3.码元、波特、速率、带宽
3.1码元
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，二该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时，码元为M进制码元。
比如二进制码元有两种状态，一种代表0状态，另一种代表1状态；四进制码元有四种离散状态，可以用00、01、10、11来表示。
3.2速率
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率来表示。
- 码元传输速率：表示单位 时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数）。单位是波特（Baud）。
- 信息传输速率：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是（b/s）。
二者的关系：一个码元携带nbit的信息量，的M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mxnbit/s。
3.3带宽
表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，b/s。
练习题：某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，求两个速率。
答：码元传输速率为，信息传输速率就是
4奈氏准则和香农定理
4.1奈氏准则
在理想低通（无噪声，带宽限制）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz
4.2香农定理
在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值，新到的极限数据传输速率为
其中，W为带宽（Hz），S/N为信噪比，S是信道所传信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率。
5编码和调制
5.1基带信号与宽带信号
基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电压表示，在送到数字信道上去传输（基带传输）。在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
宽带信号：将基带信号调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上传输（宽带传输）。在传输距离较远是，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，及时信号变化打野能最后过滤出来基带信号）
5.2编码与调制的概念
5.3数字数据编码为数字信号
-
非归零编码（NRZ）：高1低0
编码容易实现，但没有检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步 - 归零编码（RZ）：信号电平在一个码元之内都要恢复到零
- 反向不归零编码（NRZI）：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
-
曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。
特点是没一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既做时钟信号（可用于同步），又做数据信号，但是所占的频带宽度是袁术基带宽度的两倍，没一个码元被调制成两个电平。 -
差分曼彻斯特编码：虚线两边同1异0
抗干扰性强于曼彻斯特编码 -
4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，用五个比特来编码四个比特的数据。编码效率为0.8
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5.4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，分别对应调制解调器的调制和解调过程。
5.5模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即音频数字化）
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）它主要包括：抽样、量化、编码
- 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据
，要是用采样定理进行采样： - 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
- 把量化的加过转换为与之对应的二进制编码
5.6模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输有效性，可能需要较高的频率。
6. 物理层传输介质
传输介质也称传输媒体传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输媒体不是物理层，其在物理层的下面，有时被称为第0层。
传输介质可分为两种：
- 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。
- 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等
6.1导向性传输介质
1. 双绞线
由两根采用一定规则并排绞合的、互相绝缘的铜导线组成。绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰能力，可以在双绞线外面再加一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽的双绞线称为非屏蔽双绞线（UTP）。
双绞线价格便宜，一般用于几公里到数十公里的传输。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
2. 同轴电缆
3. 光纤
光纤通信利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤主要有纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。入射角足够大就可以实现全反射。
光纤的特点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
- 体积小，重量轻。
6.2非向性传输介质
7. 物理层设备
7.1中继器
诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度将造成信号失真，会导致接收错误。
中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
两端可连相同媒体，也可连不同媒体，两端的网段一定要是同一个协议。
5-4-3规则：不超过五个网段，不超过四个网络设备，不超过三个段能连接计算机。
7.2集线器（多口中继器）
功能：对信号进行再生放大转发。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
集线器不能分割冲突域，连载集线器上的工作主机平分带宽。
整理自王道计网教学视频
