01.物理层的基本概念

• 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：确定与传输媒体接口有关的一些特性——定义标准。
• 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、引脚数量和排列情况。
• 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：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线用途。

02.数据通信基本知识

2.1典型的数据通信模型

2.2数据通信相关术语

• 通信的目的是传送消息。
• 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。

  • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。
  • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
• 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。

2.3三种通信方式

2.4两种数据传输方式

2.5码元

• 定义：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，这个时长内的信号称为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。
• 一个码元可以携带多个比特的信息量。

2.6速率、波特、带宽

• 分为码元传输速率和信息传输速率
• 信息传输速率就是b/s，就是我们平常说的网速
• 码元可以理解为几个比特的集合，所以信息传输速率（网速）=码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）
• 码元所带信息量（比特数）=log2（码元进制数）
• 波特：用来一秒可以传输多少个码元。
• 带宽：用来表示最高数据速率。

2.7奈氏准则和香农定理

• 奈斯准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。

• 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有上限值。

2.8编码与调制

• 编码

  • 将数据转化为数字信号
  • 数字数据（digtal data）通过 数字发送器（digit emitter）转化为 数字信号（digtal signal）。

• 模拟数据（analog data）通过 PCM编码器（PCM coder） 转化为 数字信号 （digtal signal）。

• 单极性不归零编码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0。
• 双极性不归零编码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0。
• 单极性归零编码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。
• 双极性归零编码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

• 曼彻斯特编码：单极性编码的缺点是没有办法区分此时是没有信号，还是有信号，但是信号是0。

  • 这种编码方式是bit中间有信号，低-高跳转表示0，高-低跳转表示1，一个时钟周期只可以表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。它能携带时钟信号，而且能区分此时是没有信号还是信号为0。
• 差分曼彻斯特编码：抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0，bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。

• 调制

  • 数据转化为模拟信号
  • 常用的调制方法：调频（AM），调频（FM），调相（PM）
• 模拟数据(analog data)通过 调制器(modulaotr) 转化为 模拟信号 (analog signal)。

• 数字数据(digtal data)通过 调制器(modulaotr) 转化为 模拟信号 (analog signal)。

03.物理层传输介质

• 传输介质分为导向性传输介质和非导向性传输介质

3.1常见的导向性传输介质

3.1.1双绞线

• 根据有无屏蔽层分为屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）。

3.1.2 同轴电缆（Coaxial Cable）

3.1.3 光纤（Optical fiber）

• 根据入射角不同，又分为单模光纤和多模光纤。

• 光纤的特点：

  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
  • 抗雷电和电磁干扰性能好。
  • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
  • 体积小，质量轻。

3.2非导向性传输介质

04.物理层设备

4.1中继器（RP repeater）

注释：5-4-3规则是为了限制中继器使用次数的，理由可见图。

5是指不能超过5个网段。

4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个。

3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机。

4.2集线器（Hub）