第二章 物理层
一 各专有名词含义
数据：运送信息的实体。
信号：数据的电气的或电磁的表现。
模拟数据：运送信息的模拟信号。
模拟信号：连续变化的信号。
基带信号：来自信源的信号。（例如计算机输出的代表各种文字或图像文件等的数据信号）。
带通信号：基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，即仅在一段频率范围内能够通过信道。
数字数据：取值为不连续数值的数据。
数字信号：取值为有限的几个离散值的信号。
码元：在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
单工通信（单向信道）：只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
半双工通信（双向交替信道）：通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或者同时接收。（通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来）
全双工通信（双向同时信道）：即通信的双方可以同时发送和接收信息。
串行传输：串行传输是指数据的二进制代码在一条物理信道上将数据一位一位地依次传输的方式。（适合远距离）
并行传输：指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。（距离较近时可选择）
二 接口特性
（1）机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
（4）规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
三 常见的传输媒体及特点
1. 双绞线（双绞线绞合的作用：减少对相邻导线的电磁干扰）
①可以传输模拟信号和数字信号。
②容易受到外部高频电磁波的干扰，误码率高。
③价格便宜，操作简单，适用于点对点连接和多点连接，适用范围广。
④使用双绞线通信，距离太远时，对于模拟传输，需要用放大镜放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形
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。
由Hub组成的网络为共享式网络；Hub每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段；Hub只能在半双工下工作
Hub不能分隔冲突域，所有集线器端口都属于同一个冲突域
两个网段在物理层进行互联时要求：数据传输率要相同，但数据链路层协议可以不同。数据传输率不同，可能导致数据溢出或数据传输低效率的情况；若只需要两个网段在物理层可以互联成功， 则表明两个网段之间可以互相传送物理层信号，并不需要保证有相同的数据链路层协议，但此时不可以互相传送数据链路层的帧