物理层

1. 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输介质。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。

物理层接口的特性的内容：

机械特性。指明接口所用的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的电压范围、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的电压的意义，以及每条线的功能。
过程特性。也称规程特性。指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序（即定义各条物理线路的工作规程和时序关系）。

2. 数据通信

2.1 典型的数据通信模型

2.2 数据通信相关概念

（1）通信的目的：传送消息。

（2）数据：传送信息的实体，通常是有意的符号符号序列。

（3）信号：数据的电气或电磁表现。

（4）信源：产生和发送数据的源头。

（5）信宿：接收数据的终点。

（6）信道：信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。

（7）噪声源：信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

补充拓展：

（1）数据和信号都有模拟或数字之分：模拟数据（或模拟信号）的取值是连续的；数字数据（或数字信号）的取值是离散的。

（2）信道的两种分类方式：

按传输信号形式的不同，可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。
按传输介质的不同，可分为无线信道和有线信道。

（3）信道上传送的信号也有基带信号和宽带信号之分。

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输，这种传输方式也称为基带传输。
宽带信号：将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输，这种传输方式也称为宽带传输。

（4）信道上的噪声是指信道中存在的不需要的电信号。

2.3 传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

串行传输：数据一个比特一个比特依次发送。串行传输适合远距离传输，例如计算机网络之间的数据传输。

并行传输：一次发送n个比特，为此在发送端和接收端之间有n个线路。并行传输适合近距离传输，例如计算机内部的总线传输（常见的总线宽度有8位、16位、32位和64位）。

2.3.2 同步传输和异步传输

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。

异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不固定。

2.3.3 三种通信方式

（1）单向通信：也称单工通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线广播、电视广播等。

（2）半双工通信：通信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信息。

（3）全双工通信：通信双方都可以同时发送和接收信息。

注意：单向通信只有一个信道，而半双工和全双工通信都需要两个信道，每个方向一个信道。

2.4 码元

码元：码元代表不同离散数值的基本波形（实质上就是构成信号的一段波形）。码元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，而该时长称为码元宽度。

注意：4进制码元说明码元离散状态有4个，可以知道码元有4种不同的信号波形，可以说明一个码元携带2bit的信息量。

2.5 数据传输速率

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。

2.5.1 码元传输速率

码元传输速率：又称波特率、码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元数，单位是波特（Baud）。1波特表示每秒传输1码元。码元速率与进制数无关，只与码元长度有关。

2.5.2 信息传输速率

信息传输速率：又称比特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

2.5.3 两种传输速率小结

(1) 码元传输速率探究的是1s传输多少个码元，信息传输速率探究的是1s传输多少个比特。

(2) 在二进制数字信号中能够，他的码元传输速率就对等于他的信息传输速率，因为二进制数字信号的码元，携带1bit信息，所以两者对等（同数不同意）。

(3) 若一个码元携带 n bit的信息量，则 M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

2.6 带宽

在模拟信号系统中，带宽（又称频率带宽）用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率直插，单位是赫兹（Hz）。

在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率，此时带宽的单位是b/s。

注意：拥有更宽的带宽，也就有更大的信息运送能力。

3. 信道的极限容量（重点）

3.1 失真

任何实际的信道都是不理想的，信号在信道上传输时会不可避免地产生失真。

失真：指信号在传输过程中与原有信号或标准相比发生了偏差。

失真产生的因素：

码元传输速率。码元传输速率越高，越容易失真。
信号传输距离。信号传输距离越远，干扰越久，信号衰减也越久，信号受到影响也越大。
噪声干扰。噪声干扰越多，信号越容易失真。
传输媒体质量。传输媒体质量越差，信号失真越严重。

在信宿接收到信源的信号会出现两种情况，一种失真但可识别；另一种失真很大已经无法识别。

如果是第一种情况，失真对目标机的接收来说产生的影响并不大，因为接收机仍能判断出码元界限。

但如果是第二种情况，失真很大，这个时候在输出端就很难判断这个信号里码元间的分界，信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰。

在计算机网络中的码间串扰，是指因为码元传输速率太快，导致码元间传输界限不清晰，失去对0和1的判定。

3.2 奈奎斯特定理（奈氏准则）

为了解决码间串扰的问题，于是奈奎斯特在1924年提出了奈奎斯特定理。

奈氏准则规定：在理想低通（无噪声，带宽受限）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。

公式：理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V (单位b/s)

在该公式中V是码元离散电平数目（几种码元），W是带宽。

奈氏准则结论：

任何信道中，码元传输速率都是有上限的。
信道的频率带宽越宽，就越可用更高的速率有效地传输码元。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
由于码元的传输速率受奈氏准则制约，所以要提高数据传输速率，就要设法让每个码元携带更多比特信息量，所以要采用多元制的调制方法。

3.3 香农定理

奈氏准则规定了最高码元传输速率，但并没有规定最高比特传输速率，所以人们又提出了香农定理，来解决比特的传输速率问题。

香农定理与奈氏准则相比，不仅定义了在信道当中，比特传输的极限传输速率，还考虑到了信道当中实际会存在的电磁干扰（即噪声影响）。

香农定理给出带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用该速率传输数据时，不会产生误差。

公式：信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N) (单位为b/s)

在该公式中，W是信道的频率带宽，S为信道内所传输信号的平均功率，N为信道内的高斯噪声功能。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率纸币，信噪比=10log₁₀(S/N) (单位为dB)。

香农定理的一些推论：

3.4 信道小结

(1) 在奈氏准则和香农定理里，信道带宽（W），是指信道能通过的最高频率和最低频率之差，单位使用的是Hz。

(2) 奈氏准则限制的是码元传输速率有一个上限，香农定理才是真正的限制信息传输速率，即比特率有一个上限。

(3) 补充——低通、高通、带通、带阻

低通：允许低于截止频率的信号分量通过。

高通：允许高于某一频率以上信号分量通过。

带通：允许某一频率范围内的信号分量通过。

带阻：不允许某一频率范围内的信号分量通过。

这部分可以参考这个大佬的博客：低通，高通，带通，带阻滤波器的定义

4. 编码与调制

信号是数据的具体表现形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转换成信号。将数据转换为模拟信号的过程称为调制，将数据转换为数字信号过层称为编码。

数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转换成模拟信号传输；同理，模拟数据可通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可替换放大器调制器转换成模拟信号传输。

4.1 基带信号与宽带信号

4.2 数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1，就是所谓的编码。

(1) 归零(RZ)编码：用高电平表示1，低电平表示0（或者相反），每个码元传输结束后信号都要“归零”。>（注意：这里低电平表示的0是数字信号的0，而非零电平；最后归零，指的是电平变为零电平。）

每个码元传输结束后都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。

但是，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

(2) 不归零(NRZ)编码：与RZ编码的区别是不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但NRZ编码的收发双发存在同步问题（即如果出现连续三个数字信号1，则接受方无法进行判断），为此需要额外一根传输线来传输时钟信号，便于发送方和接收同步。但对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号！

(3) 反向归零(NRZI)编码：与NRZ编码的区别是用电平跳变表示0，电平保持不变表示1。跳变本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。

(4) 曼彻斯特编码：每个码元中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数据信号。可用向下跳变表示1，向上跳变表示0，或采用相反规定。

曼彻斯特编码所占的频带宽带是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平。所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

该编码一个时钟周期变化两次，开始一次，中间跳变一次。所以调制速率是比特传输速率的2倍。

(5) 差分曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变进表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：有跳变表示0，无跳变表示1.差分曼彻斯特编码有更强的抗干扰能力。

4.3 模拟数据转换为数字信号

4.4 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，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

数字调制的基本方法有三种：

<调幅(AM)：也称幅移键控（ASK）。通过改变载波的振幅来改变数字信号1和0。
调频(FM)：也称频移键控（FSK）。通过改变载波的频率来表示数字信号1和0。
调相(PM)：也称相移键控（PSK）。通过改变载波的相位来表示数字信号1和0。

通过上面的了解，我们可以知道数字数据如何调制为模拟信号，但是使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。如何能使1个码元包含更多的比特呢？

答案就是可以使用混合调整的方法。但是频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。所以我们只能挑选相位或频率来和振幅进行混合调制。

通常情况下，选择相位和振幅联合调制，这种调制方式称为正交振幅调制（QAM）。

混合调制举例——正交振幅调制QAM-16：

4.5 模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

5. 数据交换方式

数据交换的方式有三种，分别是电路交换、报文交换、分组交换。

其中分组交换又分为数据报方式和虚电路方式。

然而电路交换、报文交换、分组交换的一些基础性知识，在计算机网络（一）这篇文章里已经介绍过，可以参考我的这篇博客：电路交换、报文交换和分组交换。这里对于三种分组方式就不再介绍。着重说一下分组交换的两种方式：数据报方式和虚电路方式。

5.1 数据报方式

注意：主机B收到的分组并不一定是按照发送顺序排列的，所以主机B还要对数据进行重组。

注意：交换结点丢弃部分分组时，并不是该分组就无法到达目标主机，发送端还会重新发送一遍，所以，最后只是到达早晚的问题。但是需要提出的是，这里发送端的重发，并不是立刻重发的，当中间节点（如路由器或交换机）由于各种原因（如网络拥塞、缓冲区溢出、硬件故障等）丢弃了数据报时，发送方和接收方都不会立即得知。发送方会继续发送后续的数据报，而接收方在接收到不连续的数据报时，可能会发现数据丢失的情况，但这已经是在数据丢失之后的事情了。总的来说，数据报在传送过程中如果数据被中间节点丢弃，通常需要在应用层或传输层采取措施来处理这种情况。这些措施可能包括应用层重传、使用更可靠的传输层协议、网络层优化以及流量控制等。