作者：爱塔居
专栏：计算机网络
作者简介：大三学生，希望和大家一起进步
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前言
一、物理层的基本概念
1.1 物理层协议的主要任务
1.2 传输媒体（了解）
二、传输方式
2.1 串行传输和并行传输
2.2 同步传输和异步传输
2.3 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
三、数据通信系统模型
四、编码和调制
4.1 常用编码方式
4.2 基本调制信号
五、信道的极限容量（重点）
前言
计算机网络体系中的物理层就是要解决各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给传输链路层提供透明传输比特流的服务。
所谓透明是指数据链路层看不见，也无需看见物理层究竟使用什么方法来传输比特0和1的，只享受物理层提供的比特流传输服务即可。
一、物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
1.1 物理层协议的主要任务
1.2 传输媒体（了解）
二、传输方式
2.1 串行传输和并行传输
串行传输是指数据是一个比特一个比特依次发送的。因此，在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。
并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特。为此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。
并行传输的优点是速度为串行传输的n倍，缺点是成本高。
在计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输。而计算机内部的数据传输，常采用并行传输方式。例如CPU与内存之间，通过总线进行数据传输。
2.2 同步传输和异步传输
2.2.1 同步传输
同步传输的比特分组要比异步传输大得多。同步传输把比特组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，或简称为帧。
数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。
异步传输：
异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。
起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。
空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。
起始位相当于，你在路边遇到一个朋友，你要跟人家打招呼说：“你好啊！”然后再跟人家聊天。不，你的朋友可能没有反应过来，就会漏掉你最开始讲的什么。
空闲位相当于我和女神qq聊天，如果她有事要去洗澡，那她跟我说：“那我先去洗澡了。”那样，我就知道可以不用一直等她消息了。
同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。
异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。
同步传输可以理解为：你作业没写，老师跟你说：“我今天就看着你把作业一个字一个字写了交给我！”
异步传输可以理解为：作业没写，老师说：“你赶紧把作业补了交过来，我在办公室，你写完到办公室找我吧。”
2.3 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
（a）为单双工、（b）为半双工、（c）为全双工。
单工通信：通信双方只有一个数据传输方向，例如无线电广播。
半双工通信：又称为双向交替通信。通信双发可以相互传输数据，但不能同时进行，例如对讲机。
全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息。
三、数据通信系统模型
一个数据通信系统可以划分为三大部分，源系统、传输系统和目的系统。
通信的目的是传送消息。话音、文字、图片、视频等都是消息。
数据是运送消息的实体。
信号是数据的电气或电磁的表现。
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
四、编码和调制
在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。
传输媒体和信道不能直接划等号。
对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道。要么是发送信道，要么是接收信道。
而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道，一个发送信道，一个接收信道。如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。
4.1 常用编码方式
不归零编码：正电平代表1，负电平代表0
此时便需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。
对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。
归零编码：正脉冲代表1，负脉冲代表0。明显每个码元传输结束后信号都要“归零”。
所以接受方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。但是归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。
优点：自同步
缺点：编码效率低
曼彻斯特编码：
在码元的中间时刻码元都会发生跳变。向上跳变代表0，向下跳变代表1，也可反过来定义。
码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。
传统以太网使用的便是曼彻斯特编码（10Mb/s）
差分曼彻斯特编码：
1.跳变仅表示时钟
2.码元开始处电平是否发生变化表示数据
10BaseT以太网使用曼彻斯特编码
如果向上跳变为1，向下跳变为0
则：11001001
反之则：00110110
答案：A
4.2 基本调制信号
调幅（AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化
调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化
调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化
五、信道的极限容量（重点）
码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或者传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
因为，奈氏准则氏在假定的理想条件下推导出来的，所以 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则所给出的上限值。
