第三章 物理层
一 各专有名词含义
1. 数据链路使用的信道
- 点对点信道（网线）这种信道使用一对一单播的点对点通信方式。
- 广播信道（无线局域网）这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。
2. 链路与帧
链路 (link) ：是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。又称为“物理链路”。一条链路只是一条通路的一个组成部分。
数据链路 (data link)： 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件（适配器、网卡）加到链路上，就构成了数据链路。又称为“逻辑链路”。现在最常用的方法是使用适配器(即网卡 )来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
帧：数据链路层的协议数据单元，首部 + IP数据报 + 尾部 = 帧
二 数据链路层的三个基本问题
1. 封装成帧：
就是在一段数据前后分别添加首部和尾部。接收端以便从收到的比特流中识别帧的开始与结束，帧定界是分组交换的必然要求。
2. 透明传输：
避免消息符号与帧定界符号相混淆。不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就看不见有什么妨碍数据传输的东西。
当所传数据中的比特组合恰巧于某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会讲这样的数据认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。
（1）字符计数法
缺点：如果一个发生错误，下面的都发生错误
（2）
（3）
（4）
3. 差错检测：
防止差错的无效数据帧，浪费网络资源。?
三 点对点的PPP协议
点对点协议 PPP
1. 含义：对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to- Point Protocol)用户通常要连接到某个ISP 才能接入互联网。
PPP协议就是用户和ISP进行通信所使用的数据链路层协议。
2. 同轴电缆
①抗干扰性能强。
3. 光导纤维
①传输损耗小，可实现长距离传输。
②直径小、质量轻
③传输速率高、通信容量大、抗电磁干扰性能好、保密性高，误码率低。
④多模光纤的光源为发光二极管，单模光纤的光源为激光二极管
4. 无线电磁波通信
①传输频率高、通信容量大，受外界干扰小、传输质量高。
②成本低，跨越性广。
四 信道复用技术
频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽资源。
时分复用TDM：则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。
统计时分复用 STDM：是改进的时分复用，明显地提高信道的利用率。
波分复用 WDM ：光的频分复用
码分复用 CDM ：常用的名词是码分多址 CDMA：有很强的抗干扰能力。
五 信号的相互转换
码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为信号变化的次数），单位是波特（Baud），码元速率与进制数无关
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（比特数），单位是比特/秒（b/s）
奈奎斯特定理：在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W Baud。其中，W是信道的带宽，单位为Hz。若用V表示不同形式码元的个数，则极限数据率公式为： 理想低通信道下的极限数据传输率 = 2Wlog2(V)，单位为b/s
香农定理：香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率。计算公式为： 信道的极限数据传输速率=Wlog2（1 + S/N）。其中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率，S/N为信噪比，信噪比=10log10（S/N）
把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码
① 数字数据编码为数字信号：
非归零码： 用低电平表示0，高电平表示1，或反之
曼彻斯特编码： 将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0相反。以太网使用的编码方式为曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码： 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；若码元为0则相反。在码元中间也有电平跳转
4B/5B编码： 将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应的16种不同的4位码，其它的16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留
② 数字数据调制为模拟信号：
幅移键控（ASK），通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0
频移键控（FSK），通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0
相移键控（PSK），通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0
正交振幅调制（QAM），在频率相同的前提下，将ASK（振幅）与PSK（相位）结合起来，形成叠加信号。
③ 模拟数据编码为数字信号：
主要包括三个步骤，抽样、量化和编码
采样定理（奈奎斯特定理）：假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f（采样）必须大于或等于最大频率f的两倍
④ 模拟数据调制成模拟信号：频分（FDM）复用技术
六 中继器和集线器
中继器：
又称为转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，其原理是信号再生（不是简单的将衰减的信号放大）。
由于中继器工作在物理层，所以它不能连接两个具有不同速率的局域网。
中继器两端的网络部分是网段，而不是子网
“5-4-3”规则：
互相串联的中继器个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3个段可以挂接计算机，其余两个段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机
放大器和中继器都是起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大；而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生
如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为该设备可以连接两个不同的协议
集线器（Hub）：
实际上是一个多端口的中继器，也工作在物理层。集线器会将整形再生后的信号转发到其他所有（除输入端口以外）处于工作状态的端口上。如果同时有两个或多个端口输入，则输出时发生冲突。
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