本文基于2019 王道考研 計算機網路: 2019 王道考研 計算機網路
個人筆記總結
第一章：王道考研 計算機網路筆記 第一章：概述&計算機網路體系結構
后續章節將陸續更新…

第二章大綱：

一、物理層基本概念

解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體

• 這里的傳輸媒體就是指資料傳輸程序中需要經過的介質，比如光纖，電纜，同軸電纜，雙絞線，無線等
• 傳輸資料位元流是物理層的主要任務，而不管傳輸媒體是哪個廠家的，用的什么介質等具體細節，只需要管本層次的內容以及與下面傳輸媒體的介面
• 所以也稱傳輸媒體是參考模型中的第0層，與物理層區分開來

主要任務：

確定與傳輸媒體介面有關的一些特性

• 也就是定義標準，盡管傳輸媒體可能不同，但是在物理層規定的標準下，能夠進行相互之間的連接

二、資料通信知識

1. 典型的資料通信模型

2. 資料通信相關術語

1. 資料、信號、信源、信宿、信道

通信的目的是為了傳送訊息

訊息

訊息就是對人們有用的資訊，比如視頻、圖片、音頻等

資料

傳送訊息的物體叫做資料，通常是有意義的符號序列；

• 比如發送端給接受端發送文字資訊，首先要將文字資訊轉換為計算機可以識別的語言，進而再轉換成信號的方式傳輸到鏈路上面，資料就是將文字資訊轉換成的計算機可以識別的語言，也就是0101位元流序列

信號

資料的電氣/電磁表現叫做信號，是資料在傳輸程序中的存在形式；

• 當文字資訊轉換為資料（0101的位元流序列）后，需要通過信號的形式存在于鏈路上進行傳輸；比如上圖首先將計算機中0101的位元流序列轉換為數字信號傳輸，然后通過調制解調器將數字信號轉換為模擬信號再傳輸

信號分為兩種：

1. 數字信號：代表訊息的引數取值離散
2. 模擬信號：代表訊息的引數取值連續

信源

產生和發送資料的源頭，比如計算機以及其他的終端系統

信宿

接收目的的終點，也就是目的站

信道

信號的傳輸媒介，邏輯上的一種通信線路

• 一般用來表示某個方向傳送資訊的介質
• 一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接受信道

2. 碼元、波特、速率、帶寬

碼元

碼元是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖），代表不同離散數值的基本波形

• 碼元是數字通信中數字信號的計量單位
• 這個固定的時長稱為碼元寬度
• 碼元中的離散狀態個數有m個，就稱該碼元為m進制碼元
• 一個碼元可以攜帶多個位元的資訊量；例如二進制碼元一個碼元攜帶2個位元，m進制碼元一個碼元攜帶m個位元

例如：

• 二進制碼元：有兩種離散狀態，只有兩種碼元；0狀態（可以用0V來表示），1狀態（可以用+5V來表示）

  

• 四進制碼元：有四種離散狀態，有四種碼元；

  

速率、帶寬、波特

速率：也叫資料率，是指資料的傳輸速率，表示單位時間內傳輸的資料量，可以用碼元傳輸速率和資訊傳輸速率表示，

• 這列的傳輸速率也叫做發送速率，指的是將該資料從主機發送到鏈路上的速度
• 注意！！！不是傳播速率，傳播速率指的是資料轉換為信號后，以電磁波/光波為載體在整個信道上傳播的速度

資料率的兩種表示：

1、碼元傳輸速率

• 單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（脈沖個數/信號變化次數）
• 別名：碼元速率、波形速率、調制速率、符號速率
• 單位：波特（Baud），1 Baud = 1 碼元 /s
• 這里的碼元可以是二進制或者多進制，但碼元速率和進制數無關

2、資訊傳輸速率

• 單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數（位元數）
• 單位：位元/秒（bit/s）

關系：若一個碼元攜帶n bit 的資訊量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為M*nbit/s

帶寬

表示單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的最高資料率，常用來表示網路的通信線路所能傳輸資料的能力，單位：bit/s

例題：

3. 三種通信方式

通信方式確定了誰是發送方，誰是接收方，以及是否可以同時作為發送方

4. 兩種資料傳輸方式

上述的通信方式是在確定兩個設備誰是發送方，誰是接收方，以及是否可以同時作為發送方；

這里的傳輸方式就是確定發送方發送資料的時候有幾種傳輸方式

5. 編碼與調制

資料的編碼以及信號調制：

• 比如收音機FM109.7，這里的FM就是一種調制手法

預備知識：

編碼與調制：

1. 數字資料編碼為數字信號

1. 非歸零編碼[NRZ]

高1低0

• 非歸零編碼容易實作，但是沒有檢錯功能，并且無法判斷一個碼元的開始和結束，以至于收發雙方難以保持同步
• 同步：加入發送端發送連續的1或連續的0，接收方就會收到一長條的直線，無法分辨有多少個1，多少個0；所以需要發送端和接受端之間再建立一條信道，用于傳輸時鐘周期信號，來表示按什么速度或者多久發送/接收一個bit，建立一個同步的程序
• 實際程序中，建立同步的程序比較困難，所以非歸零編碼很少使用

2. 歸零編碼[RZ]

信號電平在一個碼元之內都要恢復到0的編碼方式

• 整個傳輸程序中，處于低電平的時間很久，浪費了信道資源，很少使用

3. 反向不歸零編碼[NRZI]

信號電平反轉表示0，信號電平不變表示1

• 如果發送全0的資料，則信號的電平會一直翻轉，此時接受端很好接收；但如果發送端發送的資料為全1，那么信號是一條直線，發送端不知道接收了多少個1；所以同非歸零編碼一樣，需要一個用于同步的信道
• 和歸零編碼的主要區別：同非歸零編碼一樣，在一個碼元內不會發生跳變；而歸零編碼在一個碼元內會發生跳變

4. 曼徹斯特編碼

綜合上述三種編碼的優缺點，形成了曼徹斯特編碼

• 它可將時鐘信號和資料信號放在一塊，不需要有額外的同步信道來傳送始時鐘信號，就可以實作自己本身的一種同步——自同步

定義：

• 將一個碼元分成兩個相等的間隔
• 前一個間隔為低電平，后一個間隔為高電平表示碼元1；反過來表示碼元0；也可相反規定

特點：

• 每一個碼元的中間出現電平跳變，該跳變即可作為時鐘信號（接收方每次都可以檢測到這個跳變，就知道發送方發送了一個碼元），也可作為資料信號（根據跳變兩邊的值判斷為1/0）

• 所占頻帶的寬度使原始基帶寬度的兩倍，每一個碼元都被調成高低兩個電平，所以資料傳輸速率只有調制速率的1/2

  解釋：資料傳輸速率也可表示為單位時間內傳輸的脈沖個數/信號變化次數，曼徹斯特編碼比較特殊，它在一個時鐘周期內信號變化兩次，一次是開始(從上一個狀態到當前狀態)，一次是中間；所以在一個時鐘周期內，信號變化了兩次，但是只傳送了一個碼元；所以資料傳輸速率只有調制速率的1/2

5. 差分曼徹斯特編碼

同1異0

• 如果碼元為1，則前半個碼元的電平和上一個碼元的后半個碼元的電平相同
• 如果碼元為0，則前半個碼元的電平和上一個碼元的后半個碼元的電平相反

• 常用于局域網傳輸
• 特點：在每個碼元的中間，都有一次電平跳轉，可以實作自同步，且抗干擾能力強于曼徹斯特編碼

6. 4B/5B編碼

位元流中插入額外的位元以來打破一連串的0或1，就是用5個位元來編碼4個位元的資料，之后再傳給接收方，因此稱為4B/5B，編碼效率為80%

2. 數字資料調制為模擬信號

數字資料調制技術在發送端將數字信號轉換為模擬信號，而在接受端將模擬信號還原為資料信號，分別對應于調制解調器的調制和解調的程序

ASK：調幅，0沒有振幅，1有振幅

FSK：調頻，0低頻，1高頻

PSK：調相，0對應一種波形，1對應另一種波形（分別對應正弦波和余弦波）

QAM：調幅+調相

3. 模擬資料編碼為數字信號

計算機內部處理的是二進制資料，處理的都是數字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列（即實作音頻數字化）

4. 模擬資料調制為模擬信號

為了實作傳輸的有效性，可能需要較高的頻率，這種調制方式還可以使用頻分復用技術，充分利用帶寬資源，在電話機和本地交換機所傳輸的信號是采用模擬信號傳輸模擬資料的方式；模擬的聲音資料是加載到模擬的載波信號中傳輸的，

三、奈氏準則和香農定理

首先了解一下失真

再來看看失真的一種現象——碼間串擾

• 200HZ信號震動的頻率太低了，所以在電話線傳播的程序中，非常容易受到衰減，受倒損耗，因此不能通過
• 4000HZ就是碼間串擾的問題，信號震動頻率太快，接受端在接收的時候區分不出來波形之間的差異

為了解決碼間串擾的問題，就出現了奈氏準則

1. 奈氏準則（奈奎斯特定理）

奈氏準則：在理想低通（無噪聲，帶寬受限）條件下，為了避免碼間干擾，限制極限碼元傳輸速率為2W Baud

• W是信道的帶寬，單位是HZ（注意！只有在這兩個公式中帶寬的單位才為HZ）

例題：

2. 香農定理

奈氏準則只是規定了最高的極限碼元傳輸速率，但是沒有規定最高的資訊傳輸速率，也就是最大的位元傳輸速率，香農定理就是來解決這個問題的；它不僅規定了在信道中傳輸的位元極限傳輸速率，同時考慮了信道中噪聲的影響

香農定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產生誤差，資訊的資料傳輸速率有上限值

例題：

3. 區別

四、物理層傳輸介質

傳輸介質也稱為傳輸媒體/傳輸媒介，它是資料傳輸系統中在發送設備和接收設備之間的物理通路

注意：

1. 與信道的區別：信道是一種邏輯通路，傳輸介質是實實在在的物理通路

2. 傳輸媒體并不是物理層：傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒體是第0層，在傳輸媒體中傳輸的是信號，但傳輸媒體并不知道所傳輸的信號代表什么意思，但物理層規定了電氣特性，因此能夠識別所傳輸的位元流

   

傳輸介質的分類：

1. 導向型傳輸介質

1. 雙絞線

2. 同軸電纜

3. 光纖

簡介：

光纖的分類：

圖片：

• 光纖的直徑很小，為了不讓其在傳輸程序中不被損耗弄壞，就將一條/多條光纖捆在一起，再添加一些填充物等形成抗壓很強的光纜

特點：

1. 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟，
2. 抗雷電和電磁干擾性能好，
3. 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取資料
4. 體積小，重量輕

2. 非導向性傳輸介質

五、物理層設備

1. 中繼器

5：最多不超過5個網段，每個中繼器兩端連接兩個網段

4：在這5個網段內，最多有四個物理層的網路設備（中繼器/集線器）

3：只有三個網段能掛接計算機

2. 集線器（多口中繼器）