计算机网络知识点（二） 物理层
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第二章 物理层
2.1 数据通信的理论基础
2.1.1 概念
1. 带宽（bandwidth）：在传输中不会明显减弱的频率的宽度，通常引用的带宽是指从0到使得接收能量保留一半的那个频率位置，是传输介质的一种物理属性。，通常取决于介质的构成、厚度、电线或者光纤的长度。
2. 信噪比(SNR)：信号功率S与噪声功率N的比值，即为信噪比S/N。
3. 分贝(dB)：通常把信噪比表示成对数的形式10log10 S/N，对数的取值单位称为分贝。信噪比为100可表示为20dB。
2.1.2 计算信道的最大数据传输速率
1. 尼奎斯特定理Nyquist
用来表示一个有限带宽的无噪声信道的最大数据传输率。
表达式：(每秒2B次采样) 最大数据速率 = 2Blog2 V（比特/秒）
B:带宽 V:离散级数，即可识别的信号个数
2. 香农定理Shannon
用来表示一条带宽为 B Hz，信噪比是 S/N 的有噪声信道的最大数据传输率或容量。
表达式：最大数据传输率 = Blog2 (1+S/N)（比特/秒）
B:带宽 S/N:信噪比
2.2 传导性传输介质
1. 磁介质：良好的带宽，但是延迟高。
2. 双绞线（twistedpair）
原理：两根线绞在一起，噪音对他们的干扰是一样的，所以他们的电压差不会改变，通过电压差来表示信号。
类型：category5（五类线）
概念：
①全双工链路（full-duplex）：可以双向同时用
②半双工链路（half-duplex）：可以双向使用但每一时刻只允许使用一个方向
③单工链路（simplex）：只允许一个方向传输
3. 同轴电缆（coaxialcable）
结构：(自内到外)铜芯，绝缘材料，编织外层导体，保护塑料外套
优点：很高的带宽，很好的抗噪性。
4. 电力线
5. 光纤：单模光纤、多模光纤
2.3 公共电话交换网络
PSTN是一种常用的旧式电话系统，提供的是一个模拟的专用通道，通道之间经由若干电环交换机连接而成，当两台主机或路由器需通过PSTN连接时，必须在网络接入侧使用调制解调器实现信号的模数/数模转换。
电话系统的组成：本地回路、干线上的（多路复用）和交换局的（交换机、交换技术如虚电路交换和分组交换等）
2.3.1 本地回路
1. 概念
①数字调制（digital modulation）：用模拟信号来表示比特，比特与代表它们的信号之间的转换过程。
②基带传输（baseband transmission）：信号的传输占用传输介质上从零到最大值之间的全部频率。(这是有线介质普遍使用的一种调制方式)。
③通带传输（passband transmission）：信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带（这是无线和光纤最常使用的调制方法）。
④调制解调器（modem）：执行数字比特流和模拟信号流之间转换的设备。分为调制器（modulator，数字比特流转换成模拟信号）和解调器（demodulator，模拟信号转换成数字比特流）
⑤非对称数字用户线（ADSL，asymmetric DSL）：一种数据传输方式，上行和下行带宽不对称(下行速率大于上行速率，因为大多数用户下载数据量超过上传。)。采用FDM把普通的电话线分成电话、上行和下行三个相对独立信道，从而避免相互之间的干扰。
2. 基带传输 数字信号
1）相关概念
①带宽效率
②时钟恢复问题：存在一长串0或1时，经过较长时间会导致接收方无法准确判定信号的每个比特，比如15个0很像16个0.
2）数字信号的表示方法
①不归零（NRZ，non-return-to-zero）：简单的将低电平表示为0，高电平表示为1.
问题：带宽效率低；较多连续的0或1导致接收方无法分辨每个比特
②不归零逆转（NRZI，non-return-to-zero）：0时信号不发生变化，1时信号跳变
问题：可以对连续的1进行区分，但是不能对连续的0区分。
③曼彻斯特编码（Manchester）：将数据信号与时钟信号通过异或方式混合在一起。
问题：带宽效率低（需要的带宽是NRZ的两倍）
④差分曼特斯特编码：相对调相的编码，与时钟的表达很相近，但不同点是：若1则在
起始位置进行跳变，若为0则不进行跳变。
注:下图分别是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的示意图：
⑤N级编码：采用N个信号级别，如用单个符号可以一次携带2个比特，只要接收方可以辨识信号的四个级别即可。如二级编码。
3 通带传输 模拟信号
y=Asin(fx+φ)，下面的分别表示是改变A、f和φ三个参数来区分不同信号
①幅移键控（ASK，amplitudeshiftkeying）：不同的振幅表示0，1.
②频移键控（FSK，frequencyshiftkeying）：不同的频率表示不同的信号，如采用两个不同的频率分别表示0,1
③相移键控（PSK，phaseshiftkeying）：不同的相位表示不同的信号。在每个符号的周期中，把载波波形偏移0°或180°。更有效利用信道带宽的方法是使用四个偏移（例如45°，90°，135°，180°），这样每个符号可以表示两个比特信息，这种方式被称为正交相移键控（QPSK,quadraturephaseshiftkeying）。上述①②③方法均为绝对调相（相连两位之间互不影响）。
④相对调相（relativephasemodulation）：相邻两位之间存在相互影响。若为1则跳变，若为0则无变化，需要给出初始波形，和差分曼彻斯特类似。具体相位变化表示如下图
例子如下所示（给出初始波形）：
2.3.2 多路复用
多路复用：使多个信号可以共享同一传输路线。
分类：
①时分（TDM，time division multiplexing）：一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。
②频分（FDM，frequency division multiplexing）：按频谱划分信道，不同频率的信号可以在同一信道内传输。
③波分（WDM，wavelength division multiplexing）：频分多路复用的一种，利用光纤信道的巨大带宽，同一光纤可以同时传输一组不同波长的光信号，并且不会互相影响。
2.3.3 交换技术
1. 电路交换
（面向连接）电路交换是以电路连接为目的的交换方式，通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通道。一旦一个呼叫被建立起来，在两端之间的专用路径被建立就会持续到该次呼叫结束为止。
电路交换的三个阶段：⑴建立连接⑵通信⑶释放连接
2. 包交换（packetswitching，也称分组交换）
（非连接）路由器采用存储-转发技术，把经过它的每个数据包（根据网络线路、包的目的地址等条件）发送到通往该包目的地的路径上，没有固定的路径每个包都可以都不同的路径，所以它们到达的顺序可能出现混乱。
出现的问题：排队延迟（queuingdelay）：数据包可能会因为存在很多包要被转发而需要等待一段时间才能到它被转发，还可能引起拥塞。
3. 包交换和电路交换的异同
