计算机网络物理层思维导图+大纲笔记

大纲笔记：

物理层的基本概念
- 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，而不是具体的传输媒体
- 主要任务
  - 确定与传输媒体接口有关的一些特性
    - 机械特性
    - 电气特性
    - 功能特性
    - 规程特性
信道上传送的信号
- 基带信号
  - 来自信源的信号，直接表达了要传输的信息的信号
    - 近距离
- 宽带信号
  - 将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输
    - 远距离
编码与调制
- 编码
  - 数据——数字信号
    - 非归零编码
    - 曼彻斯特编码
      - 码元传输速率是数据传输速率的2倍
    - 差分曼彻斯特编码
- 调制
  - 数据——模拟信号
    - PCM脉码调制
数据交换方式
- 电路交换
  - 原理
  - 特点
    - 独占资源
  - 优点
    - 无失序问题
    - 实时性强
    - 全双工通信
  - 缺点
    - 连接时间长
    - 线路独占
    - 灵活性差
    - 无数据存储能力
- 存储转发交换方式
  - 报文交换
    - 原理
      - 存储转发
    - 优点
      - 不需要建立连接
      - 提高线路可靠性
      - 提高线路利用率
      - 提供多目标服务
    - 缺点
      - 只适用于数字信号
      - 实时性差
      - 报文长度无限且可变
  - 分组交换
    - 分类
      - 数据报方式
        特点
        为网络层提供无连接服务
        
        同一报文的不同分组到达目的结点时可能发生乱序，重复与丢失
        
        每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
        
        分组在交换结点存储转发时，需排队等候处理，这会带来一定的时延
        
        网络会有冗余路径
      - 虚电路方式
        特点
        为网络层提供连接服务，源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接
        
        一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址等信息
        
        节点只进行差错检测，不进行路由选择
        
        每个节点可能与多个节点间建立多条虚电路，每条虚电路之哦吃特定的两个端系统之间的数据传输
        
        弱点
        当网路中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
    - 原理
      - 限制所传输的数据单位的长度
    - 优点
      - 线路利用率高
      - 简化了存储原理
      - 加速传输
      - 减少出错几率和重发数据量
    - 缺点
      - 存在存储转发时延
      - 降低通信效率，增加处理时间
      - 采用数据报服务时可能会出现失序，丢失或重复分组
- 选择方式
  - 传送数据量大，且传送时间大于呼叫时间，选择电路交换，电路交换传输时延最小
  - 端到端的通路有很多段的链路组成是，采用分组交换
  - 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，适合计算机之间的突发式的数据通信
通信基础
数据通信的基础知识
- 相关术语
  - 通信的目的是传送消息
  - 数据是运送该消息的实体
  - 信号是数据的电气或电磁表现
    - 数字信号
    - 模拟信号
  - 信源
  - 信宿
  - 信道
    - 信号的传输媒介
      - 按传输信道分
        模拟信道
        
        数字信道
      - 按传输介质分
        无线信道
        
        有线信道
- 传输方式
  - 1数据传输方式
    - 并行传输
      - 适合近距离传输
    - 串行传输
      - 适合远距离传输
  - 2
    - 异步传输
      - 需要加字符起始位和字符终止位
    - 同步传输
      - 需要加同步字符
  - 3通信双方信息交互
    - 单工通信
      - 一条信道
        广播
    - 半双工通信
      - 两条信道
        对讲机
    - 全双工通信
      - 两条信道
        打电话
信道的极限容量
- 码元
  - 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
  - 1码元可以携带多个比特信息量
  - M进制码元的离散状态有M个
- 数据传输速率
  - 码元传输速率
    - 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位Baud
    - 码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关
    - 1s传输多少个码元
  - 信息传输速率
    - 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）
    - 1s传输多少个比特
  - 关系
    - 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
- 带宽
  - 模拟信号系统中
    - 最高频率和最低频率间的差值表示通频带宽，单位赫兹（Hz）
  - 信道带宽
    - 信道能通过的最高频和最低频之差
  - 数字设备中
    - 在单位时间内从网络中的抹一点到另一带你所能通过的‘’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，单位是比特每秒（bps）
- 两个公式
  - 奈氏准则和香农定理
    - 失真
      - 影响失真的因素
        正相关
        码元传输速率
        
        噪声干扰
        
        信号传输距离
        
        负相关
        传输媒体质量
      - 现象
        码间串扰
        接收端收到信号波形失去码元之间清晰界限的现象
    - 奈氏准则
      - 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
      - 只限制码元传输速率
      - 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V(b/s)
      - W:表示带宽，V：表示几种码元/码元的离散电平数目
    - 香农定理
      - 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，S/N,单位：分贝（dB）
      - 信噪比（dB）=10log10(S/N)
        数值等价
      - 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
      - 信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)(b/s)
传输介质&设备
- 传输介质
  - 导向传输介质
    - 双绞线
      - 特点
        价格便宜
        
        距离太远时
        模拟传输
        用放大器放大缩减的信号
        
        数字传输
        用中继器将失真的信号整形
      - 分类
        屏蔽双绞线
        
        无屏蔽双绞线
    - 同轴电缆
      - 分类
        基带同轴电缆
        
        宽带同轴电缆
      - 特点
        传输距离较远，价格更贵
    - 光纤
      - 分类
        多模光纤
        易失真，适合近距离传输
        
        单模光纤
        损耗小适合远距离传输
      - 特点
        传输损耗小
        
        抗干扰性好
        
        体积小，重量轻
  - 非导向传输介质
    - 无线电波·
      - 特点
        较强穿透力，可传远距离
        
        信号向所有方向传播
    - 微波
      - 特点
        信号固定方向传播
        
        通信频率较高
        
        频段范围宽，数据率高
      - 分类
        地面微波接力通信
        
        卫星通信
        优点
        通信容量大
        
        距离远
        
        覆盖广
        
        广播地址和多址地址
        
        缺点
        传播时延长
        
        受天气影响大
        
        误码率较高
        
        成本高
    - 红外线，激光
      - 特点
        信号固定传播
- 物理层设备
  - 中继器
    - 功能
      - 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，延长网络长度
    - 特点·
      - 两端的网路部分是网段，不是子网
      - 仅作用于信号的电气部分·，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据
      - 两端可连接相同媒体，也可连不同媒体
      - 两端的网段是同一个协议
  - 集线器（多口中继器）
    - 功能
      - 对信号进行再生放大转发，但不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
    - 特点
      - 不能分割冲突域