物理层思维导图

物理层（或称物理层）是计算机网络OSI模型中最低的一层。下图为计算机网络第二章物理层思维导图笔记。

第二章 物理层

• 1.通信基础
  • 1.基本概念
    • 1.相关术语
      • 1.数据、信号与码元
        • 1.数据
          • 传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
        • 2.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
          • ①数字信号/离散信号
            • 代表消息的参数的取值是离散的
            • 
          • ②模拟信号/连续信号
            • 代表消息的参数的取值是连续的
            • 
        • 3.码元
          • 用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，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），此时码元称为M进制码元
          • 1码元可以携带多个比特的信息量
          • 
      • 2.信源、信道与信宿
        • 1.信源
          • 产生和发送数据的源头
        • 2.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
        • 3.信宿
          • 接收数据的终点
      • 3.速率、波特与带宽
        • 速率
          • 也称数据率
          • 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
          • 调制速率、波形速率或符号速率
          • 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
          • 与进制数无关
        • 2）信息传输速率
          • 又称信息速率、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)。
          • 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
          • 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”
    • 2.通信系统模型
      • 
      • 信道上传送的信号
        • ①基带信号
          • 基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）
        • ②宽带信号
          • 宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上去传输（称为宽带传输）
      • 信道
        • 信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。
        • ①按传输信号分
          • 1）模拟信道（传送模拟信号）
          • 2）数字信道（传送数字信号）
        • ②按传输介质分
          • 1）无线信道
          • 2）有线信道
      • 通信双方的交互方式
        • 1）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
        • 2）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信息，此时需要两条信道
        • 3）全双工通信
          • 通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道
    • 3.两种传输方式
      • 串行传输
        • 一个一个的比特按照时间顺序传输
      • 并行传输
        • 多个比特通过多条通信信道同时传输
    • 4.实现同步的传输/通信方式
      • 同步传输
        • 又称为区块传输，数据的传送是以一个数据区块为单位
        • 在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据
        • 
      • 异步传输
        • 
        • 发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。
        • 传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
  • 2.奈奎斯特定理与香农定理
    • 1.奈奎斯特定理（奈式准则）
      • 
    • 2.香农定理
      • 
  • 3.编码与调制
    • 1.编码
      • 1.数字数据编码为数字信号
        • 编码
          • 把数据变换为数字信号的过程
          • 具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码
        • 编码方式
          • 总览
            • 
          • 1）归零编码（RZ）
            • 高电平表示1
            • 低电平表示0
            • 每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零）
          • 2）非归零编码（NRZ）
            • 高电平表示1
            • 低电平表示0
          • 3）反向非归零编码（NRZI）
            • 信号翻转代表0
            • 信号保持不变代表1
          • 4）曼彻斯特编码
            • 将一个码元分程两个相等的间隔
            • 前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1
            • 码元0的表示相反
            • 也可以采用相反的规则
          • 5）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码元的后半个码元的电平相同
            • 若码元为0，则情形相反
          • 6）4B/5B编码
            • 4位一组，按4B/5B编码规则转换成相应的5位码
            • 5位码共32种组合，采用其中16种，剩余16种作为控制码或保留
        • 数字——数字
      • 2.模拟数据编码为数字信号
        • 脉冲编码调制（PCM）
          • 1.采样
            • 采样定理
              • 又称奈奎斯特定理
              • 采样频率必须大于等于最大频率的两倍
            • 采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
            • 根据采样定理，当采样的频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据
          • 2.量化
            • 量化是把采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，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量
            • 采样和量化的实质就是分割和转换
          • 3.编码
            • 编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
            • 
        • 模拟——数字
    • 2.调制
      • 1.数字数据调制为模拟信号
        • 调制方法
          • 总览
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          • 1）幅移键控（ASK）
            • 原理
              • 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0
              • 不改变载波的频率和相位
            • 特点
              • 抗干扰能力差
              • 容易实现
          • 2）频移键控（FSK）
            • 原理
              • 通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0
              • 不改变载波的振幅和相位
            • 特点
              • 抗干扰能力差
              • 容易实现
          • 3）相移键控（PSK）
            • 原理
              • 通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0
              • 不改变载波的振幅和频率
            • 又分文绝对调相和相对调相
          • 4）正交振幅调制（QAM）
            • 原理
              • 在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号
            • 数据传输率R
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              • 
        • 数字——模拟
      • 2.模拟数据调制为模拟信号
        • 频分复用（FDM）
        • 模拟——模拟
  • 4.数据交换方式
    • 1.电路交换
      • 总览
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      • 原理
        • 在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
      • 三个阶段
        • 1.连接建立
        • 2.数据传输
        • 3.连接释放
      • 优缺点
        • 总览
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        • 优点
          • 1）通信时延小
          • 2）有序传输
          • 3）没有冲突
          • 4）适用范围广
          • 5）实时性强
          • 6）控制简单
        • 缺点
          • 1）建立连接时间长
          • 2）线路独占，使用效率低
          • 3）灵活性差
          • 4）难以规格化
          • 5）无数据存储能力，难以平滑通信量
          • 6）无法发现与纠正传输差错
    • 2.报文交换
      • 总览
        • 
      • 原理
        • 无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。
        • 报文
          • 网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变
      • 优缺点
        • 优点
          • 1）无需建立连接
          • 2）动态分配线路
          • 3）提高线路可靠性
          • 4）提高线路利用率
          • 5）提供多目标服务
        • 缺点
          • 1）引起转发时延
          • 2）网络结点需要较大的缓存空间
        • 总览
          • 
    • 3.分组交换
      • 总览
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      • 原理
        • 分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B
        • 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文
      • 优缺点
        • 总览
          • 
        • 优点
          • 1）无建立时延
          • 2）线路利用率高
          • 3）简化了存储管理（相对于报文交换）
          • 4）加速传输
          • 5）减少了出错概率和重发数据量
        • 缺点
          • 1）存在传输时延
          • 2）需要传输额外的信息量
          • 3）可能出现失序、丢失、重复分组，到达后需重新排序，增加了麻烦
    • 三种数据交换方式的比较
      • 
  • 5.数据报与虚电路
    • 分组交换的两种方式
    • 1.数据报
      • 原理
        • 
        • 1.源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A)
        • 2.结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
        • 3.结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本。
        • 4.所有分组到家了（主机B）
      • 特点
        • 1）发送分组前不需要建立连接（无连接服务）
        • 2）网络尽最大努力交付，传输不保正可靠性
        • 3）分组包括发送端和接收端的完整地址
        • 4）存储转发时需要排队等待处理，带来一定的时延
        • 5）网络具有冗余路径，对故障的适应能力强
        • 6）存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量
        • 7）收发双方不独占某一链路，资源利用率高
    • 2.虚电路
      • 原理
        • 虚电路
          • 一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。
        • 
        • 1）建立连接
          • 源主机发送“呼叫请求”分组并收到“呼叫应答”分组后才算建立连接。
        • 2）数据传输
          • 每个分组携带虚电路号，分组号、检验和等控制信息。
        • 3）释放连接
          • 源主机发送“释放请求”分组以拆除虚电路。
      • 特点
        • 1.虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
        • 2.一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、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失
        • 3.分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择
        • 4.每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
        • 5.致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏
    • 比较
      • 
• 2.传输介质
  • 概念
    • 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
  • 传输介质的分类
    • 导向传输介质
      • 1.双绞线
        • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
        • 屏蔽双绞线（STP）
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        • 非屏蔽双绞线（UTP）
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      • 2.同轴电缆
        • 
        • 组成
          • 导体铜质芯线
          • 绝缘层
          • 网状编织屏蔽层
          • 塑料外层构成
        • 分类
          • 基带同轴电缆
            • 50Ω同轴电缆
            • 主要用于传送基带数字信号
            • 在局域网中得到广泛应用
          • 宽带同轴电缆
            • 75Ω同轴电缆
            • 主要用于传送宽带信号
            • 主要用于有线电视系统
        • 特点
          • 由于外导体屏蔽层的作用同轴电缆抗干扰特性比双绞线好
          • 被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
      • 3.光纤
        • 原理
          • 光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1,无光脉冲表示0.而可见光的频率大约是10MMHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
          • 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
          • 光纤主要由纤芯（实心的！）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
          • 
        • 分类
          • 单模光纤
            • 
          • 多模光纤
            • 
          • 对比
            • 
        • 特点
          • 1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
          • 2.抗雷电和电磁干扰性能好。
          • 3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
          • 4.体积小，重量轻。
    • 非导向传输介质
      • 1.无线电波
        • 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）
        • 信号向所有方向传播
      • 2.微波
        • 微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。
        • 信号固定方向传播
        • 分类
          • 地面微波接力通信
          • 卫星通信
            • 优点
              • 1、通信容量大
              • 2、距离远
              • 3、覆盖广
              • 4、广播通信和多址通信
            • 缺点
              • 1、传播时延长（250-270ms）
              • 2、受气候影响大（eg：强风、太阳黑子爆发、日凌）
              • 3、误码率较高
              • 4、成本高
      • 3.红外线、激光
        • 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号再在空间中传播。
        • 信号固定方向传播
  • 2.物理层接口的特性
    • 1）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
    • 2）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
    • 3）功能特性
      • 指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
    • 4）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
• 3.物理层设备
  • 1.中继器
    • 诞生原因
      • 由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误
    • 中继器的功能
      • 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度
      • 
    • 中继器的两端
      • 两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它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。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
      • 中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发，傻
    • 5-4-3规则
      • 网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障
      • 
  • 2.集线器
    • 集线器的功能
      • 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
    •