计算机网络第二章（物理层）课程复习

写在前面：

本文是对计算机网络课程的系统性复习，参考了课堂PPT、计算机网络（第7版，谢希仁编著）、王道考研B站公开课以及考研指导复习书。下图是物理层的学习内容，数据交换方式在第一章复习时就已经讲解完毕了，本文将会略过（下图也说明了，数据分组操作是在物理层进行的）。

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播数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。通俗的说，物理层与插线板、传输光缆和路由器小盒子等有关。

数据通信基础：

数据在机器中以0/1组成的数字信号存在，通过调制解调器变成模拟信号。广域网中只支持模拟信号的传输，因此这一步不可缺少。最后在解压成数字信号，传播到另一台电脑。计算机再把0/1组成的数字信号转换成人类理解的文字（物理层以上的几层所做的）。

上图中，下面的流程就是专用术语表达。

常见的数据通信术语表达：

数字信号的传播模拟图中，竖线是假想出来方便理解的。离散型和连续型可以结合概率论/高数的定义辅助理解。

补充：数字数据和模拟数据

模拟数据：模拟数据是连续的，可以取任意值。它通常用来表示自然界中的物理量，如温度、压力、声音等。存储和传输模拟数据需要模拟介质，如磁带、胶片等，这些介质容易退化。
数字数据：数字数据是离散的，由有限的、可数的值组成。它通常以二进制形式（0和1）表示。可以存储在硬盘、光盘、闪存等数字介质上，具有更好的长期保存能力和复制质量。

码元/速率/波特/带宽（important）：

码元是指用一个固定长度的信号波形（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，时长（固定长度）称为码元宽度（或码元长度），这里的宽度是1小段的宽度。当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个），此时码元为M进制码元。

上图中，只有2种状态，因此是二进制码元。红线所划的1小段就是码元（码元不是把所有的几段加在一块），老师课上这么说：把1和0看成乘客，码元就是载客汽车。码元就是携带一个或多个比特的信息量，在现实世界里是以信号波的方式存在。

如何理解携带多个比特的信息量，以及码元宽度会不会改变？

对于四进制码元来说，每个码元携带2比特的信息量。码元宽度变为2，携带的比特信息量也改变了。

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。

码元传输速率：它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，即1s内传输多少个码元，单位是波特（Baud，简写为B）。码元速率与进制数无关，只与码元长度有关。
信息传输速率（important）：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（bit/s、bps、b/s 三种表示形式都可以）。
波特和比特的关系：波特相当于通过的车没有限定，可以是2人小跑车也可以是10人大卡车；比特有规定，只能乘坐0/1这两位乘客。若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率对应的信息传输速率为 M×n bps。

小题目：码元传输速率为每秒传输1000个四进制码元，问信息传输速率为多少？

码元传输速率为1000B，四进制码元，每个码元携带2bit的信息量，因此 1000×2 = 2000。信息传输速率为2000bps。

带宽表示在单位时间内从网络种的某一点到另外一点能通过的“最高数据率”/单位时间内通过链路的数量。常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特/秒。

类比：一条高速公路比较窄，每秒可以容纳5量小汽车；一条高速公路比较宽，每秒可以容纳10量小汽车。那么比较宽的高速公路带宽也比较宽。

与信息传输速率的联系：带宽用于描述网络连接的最大传输能力，是理想情况下的最大值。信息传输速率用于描述实际的数据传输速度，可能会受到多种因素的影响，如网络拥塞、信号干扰、协议开销等，一般低于带宽速率。（可以类比成高速限速和高速实际开车速度）

通信方式&数据传输方式：

1.单工通信（单向通信）：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。（例如广播）

2.半双工通信（双向交替通信）：通信双方都能发送或接受信息，但不能同时，需要2条信道。（例如对讲机）

3.全双工通信（双向同时通信）：通信双方可以同时发送或接收消息，需要2条信道。（例如打电话）

对于数据传输方式来说，串行就是一个一个bit来发送，并行就是一个一个字节来发送。正因此，串行传输需要1条信道，并行传输需要8条信道。

并行传输常见于计算机内部的数据传输，串行传输常见于网络传输。

同步传输可以看作是第一章中的报文交换，异步传输可以看作是第一章中的分组交换。

总结：

奈氏准则&香农定理（important）：

失真：现实中由于一些不可避免的因素，发送信号的波形有可能会变得不那么清晰，这就是失真（失去真实图形）。

影响失真程度的因素：1.码元传输速率 2.信号传输距离 3.噪声干扰

信道带宽：信道（信息通道）能通过的最高频率和最低频率之差，即为信道带宽。

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。（当失真过于严重时，就会出现码间串扰）

上图中，最高频率为3300Hz，最低频率为300Hz，因此信道带宽为3000Hz。振动频率过低会导致其极易受到衰减，最后导致信号的消失；振动频率过快会导致失真过于严重，从而导致码间串扰（机器无法识别）。

注：只有频率过高时导致的失真，才叫作码间串扰。

奈氏准则：在理想的无噪声条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud（别问2W怎么算出来的，问就是我也不知道），W是信道带宽，单位为Hz（带宽在奈氏、香农两个公式里都是以Hz为单位的）。

奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制。但根据上文所讲的波特和比特的关系，我们也不难得出其极限数据传输率（即上图公式）。

题目：

上题中，信号总共有16种变化。每个相位有4种振幅，因此是4×4 = 16。可以通过信号波来理解，不同相位不同频率，波形是不同的。因为波形的不同，代表的0/1也不同，因此有16种不同的波形。（从代表0000的波形 ~ 代表1111的波形）

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息数据传输速率有上限值。这个上限值，即为香农公式所求。

噪声存在于所有的电子设备和通信信道种。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。

有时候信号的功率远高于噪声的功率，此时可以通过取S/N的对数，然后乘以10来解决，两个公式在数值上等价，只是表示方式不一。即如下图公式所示：

注：题目中有dB单位的指代的就是下面那个存在对数的公式，没有dB单位的指代的就是S/N。

根据香农定理，信道的极限数据传输速率为：

记忆方法：带宽×信号强度（信号强度类比成码元携带比特信息量，1个bit是最少的，因此是1+xxx；信噪比就可以看作是还没有算上的比特信息量）

题目：

只要信息传输速率低于信道极限传输速率，就一定能找到某种办法来实现无差错的传输。

编码&调制：

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受信道。

传输信号：模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）

传输介质：无线信道有线信道

在基带传输时，我们会根据不同的方式来进行编码。编码就是把比特流用一种特定的信号波表示方法表示出来。载波调制可以想象成整容，调整以后以便于在信道中传输。

数据变成数字信号，用的是编码；数据变成模拟信号，用的是调制。

数字数据编码为数字信号：

常用的四种编码方式：1.非归零编码 2.曼彻斯特编码 3.差分曼彻斯特编码 4.归零编码（还有两种教科书上并未讲解，故此处省略）

非归零编码（高1低0）容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步（例如连续有10000个1，那么信号波就表示成一条直线，同步起来就比较困难）
归零编码就是信号电平在每个码元之间都要恢复到零，其他性质和非归零编码无异
曼彻斯特编码即前高后低即为1，前低后高即为0。也可以采用相反的规定（具体看题目的规定）。这种编码下，就算是连续的1也会发生跳变，同步起来就比较方便，因此是比较常用的。可以理解成一个比特的数据用两个电平来表示，最极限情况下，还是10000个1，此时每个比特都需要2次脉冲（当中1次+开始时1次），所以数据传输速率只有调制速率的1/2
差分曼彻斯特编码是同1异0的编码方法。其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若为0，则相反。常见于局域网传输
信号电平：一条水平且无间断的横线，强调电平相同时一般是指横线位置相同
跳变：横线突然从高处下降到了低处，或者从低处上升到了高处
脉冲：跳变的次数

数字数据调制成模拟信号