计算机网络-3
2.1.1 物理层基本概念
物理层解决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。
物理层主要任务：确定传输媒体接口有关的一些特性→定义标准
物理层规定的四个特性：
机械特性
定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列状况。
电气特性
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
指明某条线上出现某一电平表示何种意义，接口部件信号线的用途。
规程特性（过程特性）
定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
2.1.2 数据通信基础知识
典型的数据通信模型
数据通信的相关术语
通信的目的是传送信息
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/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，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。
三种通信方式
从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：
单工通信
只有一个方向的通信而没有反方向的交互，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受信息，也需要两条信道。
俩种数据传输方式
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 用于计算机内部数据传输
2.1.3 码元、波特、速率、带宽
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，这个市场内的信号称为K进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。
1码元****可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有俩种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
速率、波特、带宽
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表示。
1）码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它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）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
2）信息传输速率：别名信息速率、比特率等，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），单位是比特/秒（b/s）。
带宽:表示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。单位b/s。
练习题
码元与进制无关，不用管进制，
四进制即有四个离散状态，需要用俩个01比特位才能表示四种状态
十六进制即有十六个离散状态，需要用四个01比特位才能表示十六种状态
相差俩个比特位
如果用十六进制传输四进制码元
十六进制本来一个码元对应一个比特，当传输四进制码元时，一个码元就会对应俩个比特，码元传输速率就变成了2400Baud
2.1.4 奈式准则和香农定理
失真
影响失真程度的因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
失真的一种现象–码间串扰
码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
信道带宽：是信道能通过的最高频率和最低频率之差。
奈式准则(奈奎斯特定理)
奈式准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率位2W Baud
W是信道带宽，单位是HZ。一般带宽单位是bit/s,在奈式准则和香农定理中单位是HZ
- 在任何信道中，马原的传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
- 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
- 奈式准则给出了码元传输速率的限制，但是没有对信息传输速率进行限制。
- 由于码元传输速率受奈式准则制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多的比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
一道奈式准则练习题
香农定理
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率吧有上限值。
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
- 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
- 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
- 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
- 从香农定理可以看岀，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
一道香农定理练习题
“Nice”和“香浓”
如果同时出现V(几种码元/码元的离散电平数目)和信噪比，我们需要俩种公式都计算，选比较小的
2.1.5 编码与调制(1)
基带信号和宽带信号
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，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。
信道按传输信号分位模拟信道(传送模拟信号)和数字信道(传送数字信号)；按传输介质分为有线信道和无线信道
信道上传送的信号：
基带信号
将数字0和1直接用俩种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。
来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出了要直接表达信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
宽带信号
将基带信号进行调制后形成的频分复用的模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。
将基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)
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）。
在传输距离较远时，计算杋网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）。
编码与调制
总览
2.1.6 编码与调制(2)
数字数据编码为数据信号
非归零编码【NRZ】
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
归零编码【RZ】
反向不归零编码【NRZI】
4B/5B编码
非归零编码和归零编码：
全0/1就会是一条直线
处于低电平情况多且时间久，此信道并没有充分使用
反向不归零编码：
对于全0他会一直翻转，但是对于全1他会是一条直线
曼彻斯特编码：
差分曼彻斯特编码：
4B/5B编码：
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。
4*4=16种码元
log 2 16=4bit→1码元
1200*4=4800b/s
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（即实现音频数字化）。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最髙保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用，它主要包括三步：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，要使用采样定理进行采样：f采样频率≥2f信号最高频率
- 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。
- 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
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。在电话杋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。
小结
