计网-物理层

物理层是计算机网络的最底层，主要负责数据的物理传输。

物理层为数据链路层提供服务，使数据链路层只需要考虑如何封装数据链路层协议数据单元（PDU），而不需要考虑数据是如何传输的。

注：有关计算机网络的相关概论知识，可参考以下：

计算机网络概述

计算机网络基本重要概念

因特网的组成：
- 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。
路由器：连接两个或多个网络的设备，负责在多个网络之间转发数据包。
交换方式：
- 电路交换：在数据传输之前，需要先建立一条专用的物理连接，数据传输过程中，这条连接一直存在。
- 报文交换：不需要建立连接，数据传输过程中，不需要建立连接。
- 分组交换：将数据分成多个小数据包，每个数据包独立传输，数据传输过程中，不需要建立连接。
协议：通信双方必须遵循的规则，包括：
- 语法：数据与控制信息的结构或格式
- 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
- 同步：事件实现顺序的详细说明
服务：在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，而与下层无关。
接口：上层使用下层服务的入口，下层为上层提供服务的出口。
实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，称为服务访问点SAP。
- 数据链路层：数据链路层SAP称为帧的“头”和“尾”
- 网络层：网络层SAP称为IP地址
  - IP地址：网络层地址，用于标识网络中的一个节点
- 传输层：传输层SAP称为端口
  - 端口：传输层地址，用于标识一个进程
服务原语：
- PDU：协议数据单元，对等实体之间传送的数据包称为协议数据单元。
- SDU：服务数据单元，层与层之间传送的数据包称为服务数据单元。
连接唯一性：四元组（源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口）唯一标识一个连接

一、物理层的基本概念

1.1 物理层的功能

定义物理接口特性
- 机械特性：接口的形状、尺寸、引脚数目和排列情况
- 电气特性：接口的电压范围、电流强度、阻抗匹配、传输速率等
- 功能特性：接口的信号线功能
- 规程特性：接口的规程
定义传输介质的特性
定义数据传输速率
比特同步和时钟同步
比特编码方式的定义

1.2 数据通信的基本概念

数据（Data）：传送信息的实体
信号（Signal）：数据的电气或电磁表现
模拟信号：连续的信号
数字信号：离散的信号

二、传输介质

2.1 导向传输介质

双绞线
- 非屏蔽双绞线（UTP）
- 屏蔽双绞线（STP）
- 常用于以太网
同轴电缆
- 基带同轴电缆
- 宽带同轴电缆
- 抗干扰能力强
光纤
- 单模光纤
- 多模光纤
- 传输距离远，带宽大

2.2 非导向传输介质

无线电波
微波
红外线
激光

三、传输方式

3.1 串行传输与并行传输

串行传输：数据逐位按顺序依次传输
并行传输：数据同时多位按顺序依次传输

3.2 同步传输与异步传输

同步传输：数据块按固定长度依次传输
- 外同步：添加单独时钟信号线
- 内同步：数据中包含时钟信息
异步传输：数据块按不定长度依次传输

3.3 单工、半双工与全双工

单工：单向传输无线电广播
半双工：双向交替传输对讲机
全双工：双向同时传输电话

四、信道与信道容量

4.1 信道的基本概念

单工通信：单向传输
半双工通信：双向交替传输
全双工通信：双向同时传输

4.2 信道容量

奈奎斯特定理：理想低通信道的最高码元速率
- 公式：
- ：带宽
- ：电平数
香农定理：信道的最大数据传输速率
- 公式：
- ：带宽
- ：信噪比
信噪比与带宽的关系

五、数字传输系统

5.1 编码与调制

基带传输
- 不归零编码（NRZ）：存在同步问题
  - 正电平表示1，负电平表示0
- 归零编码（RZ）：自同步，编码效率低
- 曼彻斯特编码
  - 每个码元中间有跳变，负跳变表示1，正跳变表示0
- 差分曼彻斯特编码
带通传输
- 调幅（AM）
- 调频（FM）
- 调相（PM）

5.2 多路复用技术

频分复用（FDM）
时分复用（TDM）
波分复用（WDM）
码分复用（CDM）

六、物理层设备

6.1 中继器

功能：放大信号
特点：不能连接不同类型网络
5-4-3规则

6.2 集线器

功能：多端口中继器
特点：共享带宽，冲突域
工作方式：广播方式