计算机网络 --- [01] 物理层

ING

物理层的主要功能是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供底层数据传输服务。

物理层基本概念

• 传输单位为bit
• 物理设备和传输媒体种类繁多，物理层的作用是尽可能地屏蔽掉这些差异
• 使上层链路专注完成本层的协议和服务， 不必考虑网络具体的传输媒体是什么
• 定义如下特性：机械特性（形状&尺寸）、电器特性（电压范围）、功能特性（电平含义）、规程特性

数据通信及编码技术

• 数据(data)：装载信息的实体；
• 信号(signal)：模拟信号是随时间连续变化的信号，数字信号是离散信号，如“0，1”；
• 信道(channel)：通信的通道。

三种基本方式：单工、半双工、全双工。

编码与调制

常用数字信号编码：归零编码、不归零编码（non return to zero，NRZ）、曼彻斯特编码（Manchester）、差分曼彻斯特编码（differential Manchester）

奈奎斯特(Nyquist)定理 & 香农(Shannon)定理 ⭐

要搞清楚这两个定理，我们要先搞懂一些定义：波特率（baud rate）、比特率（bit rate）、带宽（bandwidth）、容量（capacity）。

1. 波特率、比特率 易混淆

   • 波特率指的是信号每秒钟电平变化的次数，单位是Hz。比如一个信号在一秒钟内电平发生了50次变化，那么这个信号的波特率就是50Hz；
   • 比特率是每秒钟传输0和1的个数，单位是bps（bit per second）。比特率是信号每秒钟传输的数据的位数，在计算机中，数据都是用0，1表示的。
   • 假设一个信号只有两个电平，那么这个时候可以把低电平理解为“0”，高电平理解为“1”，这样每秒钟电平变化的次数也就是传输的0，1个数了，即比特率 = 波特率。但是有些信号可能不止两个电平，比如一个四电平的信号，那么每个电平就可以被理解成“00”，“01”，“10”，“11”，这样每次电平变化就能传输两位的数据了，即比特率 = 2 ×波特率。
     $$ bit Rate = buad Rate × log_{2}L$$ 这里L就是信号电平的个数。

2. 带宽和容量的概念

   • 一般信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率（注意这里不是波特率，频率是指每秒钟的周期数，而每个周期都会有几次电平变化），只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道，这两个频率的差值叫做这个信道的带宽，单位是Hz。
   • 数据在信道中传输会有他们的速度——比特率，这里面最高的比特率就叫做这个信道的容量，单位是bps。口语中也会把信道容量叫做“带宽”的，比如“带宽10M的网络”。所以这两个概念也很容易混淆：我们平常所说的“带宽”不是带宽，而是信道容量。

介绍完定义，再来看看这两个定理说的什么。

奈奎斯特定理 ⭐

$$ C_{max} = 2×B×log_{2}L $$
这里Cmax指的是信道的最大容量，B是信道的带宽，L还是信号电平的个数

奈奎斯特定理适用的情况是无噪声信道，用来计算理论值。

香农定理 ⭐

$$ C_{max} = B×log_{2}(1+S/N) $$
S/N指的是信道的信噪比，但是我们一般测量出来的以db为单位的是经过 10×lg(S/N) 换算的，所以这里还要换算回来才行。
香农定理给出了信道信息传送速率的上限（比特每秒）和信道信噪比及带宽的关系。香农定理可以解释现代各种无线制式由于带宽不同，所支持的单载波最大吞吐量的不同。

例题

多路复用技术

频分多路复用，FDM

（frequency division multiplexing）
将信道按频率划分为若干个子信道，主要用于模拟信号。

波分多路复用，WDM

（wavelength division multiplexing）
频分多路复用在光纤信道上的变种。

时分多路复用，TDM

（time division multiplexing）
不同时占用频带宽度（可能造成线路资源浪费）=> 异步时分（STDM）（动态分配时隙，有数据则分配时隙，用完收回）