大家好，我是Zhan，一名个人练习时长一年半的大二后台练习生
这篇文章是 浅显易懂计算机网络 第二篇笔记
假如有不对的当地，欢迎各位纠正
与君同舟渡，达岸各自归
引语
在上篇文章中 浅显易懂计算机网络（一）–计网概述 咱们了解到了计算机网络的体系结构，也便是所谓的“分层”，那么今天咱们就先了解最下面的一层–物理层
物理层是最根底的一层，咱们都知道计算机最底层的东西其实便是比特流，也便是所谓的0、1，物理层考虑的便是怎样才干在衔接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，本篇会从下面几点来了解物理层：
- 1️⃣ 物理层下的传输媒体
- 2️⃣ 物理层的传输办法
- 3️⃣ 信号的编码与调制
- 4️⃣ 信道的极限容量
物理层下的传输媒体
计算机与计算机之间传输
比特流，能够经过光纤、双绞线…传输媒体，然后把比特撒播输给数据链路层，传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，不包括在计算机网络体系结构中
传输媒体的分类
传输媒体能够依据它们的性质进行分类：
-
导向性传输媒体（固体媒体）
-
同轴电缆价格较贵，布线不够灵活和方便 -
双绞线是两根铜线以必定的办法绞合在一同，这样做的好处便是能够减少相邻导线的电磁搅扰、抵御部分来自外界的电磁搅扰 -
光纤是运用高中知识的全反射进行传输，这是属于多模光纤，而单模光纤中光是直线传达的，它的优点是通讯容量非常大，抗雷电和电磁搅扰性能好，传输的损耗小，中继间隔长，体积小重量轻，可是它的光电接口比较贵重，切割光纤也要比较贵的专业设备
-
-
非导向性传输媒体（自在空间）
-
无线电波是波长范围为1-1000m的波，它有低频和高频，其中低频的无线电波是在地球表面以地上波的办法进行传输，而高频的无线电波是运用地球上方100~500千米高空处的带电离子层进行反射到下一个基站 -
微波运用同步地球卫星、中、低轨道人造卫星进行传输，这样做的坏处便是传输时延比较长，也便是延时比较长 -
红外线便是咱们平常运用的空调、电视遥控器这种，需求点对点无线传输，很明显它的缺点便是中间不能有障碍物，传输的间隔和速率比较低 -
可见光它的名字又叫LIFI，这门技能还在研讨中，是运用可见光的改变进行信号的传输，人眼是无法发觉的，可是也面临了许多的技能难点
-
⚓ 无线电频谱管理机构
关于非导向性传输媒体，运用波在自在空间中传输，1-1000 Hz 的波一般不用于通讯，而 2-16 ~ 2-6 Hz 的波很难发生和调制，绕过障碍物的能力也很弱，对生物还有害，那么关于中心的这些波，咱们也不能随意去运用
ISM频段：能够自在运用的一些无线电频段，关于不在这个频段的无线电，咱们是需求去申请下面说到的无线电频谱管理机构的许可证
无线电频谱管理机构
-
中国：工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室） -
美国：联邦通讯委员会 FCC
传输办法
网络通讯之间的办法我之间在浅显易懂计算机网络（一）–计网概述有讲到：
电路沟通、分组沟通、报文沟通，而物理层有以下三对传输办法，咱们下面来了解和比较一下这三种传输办法：
串行传输和并行传输
关于串行和并行这两个概念相信大家都不陌生了，经过字面意思咱们大约也能懂串行传输和并行传输的意思：
-
串行传输：也便是发送端一次性发送所有的比特流 -
并行传输：把比特流分为多个信道进行传输 - 在实践环境的网络传输中，一般不会运用并行传输，由于太浪费资源了，只会在计算机内部 CPU 总线的时分进行并行传输，而局域网的传输是运用串行传输
同步传输和异步传输
由于发送端同步发送比特流是以数字信号的办法进行传输，就会存在由于时钟频率的误差累计而导致的比特信号采样时间的严重偏移，举个例子：
概念弥补-码元：在运用时间域的波形表明信号的时分，一个根本的波形便是码元，此处的高电平和低电平便是两种根本的波形
要解决这个问题，第一种办法便是：
- 外同步：在发送端和接纳端之间加上一条时钟线，接纳端以时钟线的频率去获取信号
- 内同步：发送端将时钟信号编码到数据中一同发送过去
- 这个咱们在后面的编码与调制中详细去讲
而异步传输其实指的是字节之间异步，也便是说字节之间的时间间隔并不固定，如下如所示：
单向通讯、双向替换通讯和双向一同通讯
咱们能够用三个例子来说明这三种传输办法：
单向通讯：也便是只有一条从发送端到承受端的信道，咱们日子中的无线电广播便是这样，咱们的收音机便是一个被动的接纳端
双向替换通讯：尽管发送端和接纳端有两条信道，能够做到双向传输，可是一同只能有一条信道在传输，对讲机便是这样的
双向一同通讯：它有两条信道并且能够一同传输，咱们用手机打电话便是这样
编码与调制
在讲编码与调制之前首要要引入两个概念：
数据：也便是要传输的信息，例如咱们在键盘上键入一个 A，那么它转换为 ASCII 编码
0100 0001，便是一个数字信号，而假如是一段音频，它便是一个模拟信号，也便是说数据是分为这两种，其中数字信号是离散的，只能以0 1这种办法来表明，而模拟信号是能够运用接连的图形来表明的信号：咱们要传输数据，有必要转换为信号，也便是上面说到的数字信号和模拟信号，咱们下面首要会讲数字信号，也便是比特流
️ 编码、调制在做什么？
关于比特流是无法直接在网络之间进行通讯的，而是要以信号的办法进行通讯，那么就需求编码和调制把它转换为能够传输的信号。
编码：将数字信息转换为另一种办法，以便在信道中传输，例如把10001 00111转为：
调制：假如要把数据进行远间隔传输，只能把数字信号转换为模拟信号再进行传输，由于数字信号的频率低，在传输的过程中容易失真，因而需求调频为高频信号进行传输，也便是调制
常用编码办法
在讲解同步传输和异步传输的时分咱们就说到了，无法判断是多少个码元，咱们说到了两种办法
外同步、内同步，外同步便是运用时钟信号线的办法，接纳方按照时钟信号的节拍对数据信号线上的信号进行采样，可是关于计算机网络，甘愿运用这根传输才干传输数据信号，而不是传输时钟信号，这就要运用下面几种常见的编码办法完成内同步了：
双极性归零编码： 每个码元的中心时间都会回归到零电平，接纳方只需求采样信号归零后的就行，可是很明显，大部分的数据带宽，都用来传输零电平而被浪费掉了
曼切斯特编码： 码元中心时间的电平跳变就代表要传输的数据，正跳和反跳的表明是 0 仍是 1 是能够自行界说的
差分曼切斯特编码： 码元中心时间的电平跳变只是表明时钟信号，而数据的表明是在于每一个码元开始的当地是否有电平跳变，没有跳变便是1，有跳变便是0
常用调制办法
调制便是把离散的数字信号转化为接连的模拟信号，调制的办法有
根本的带通调制办法和混合调制办法
根本的带通调制办法：有调幅、调频、调相三种调制办法，也便是依据高电平和低电平去设置幅度、频率、相位
考虑： 运用根本的带通调制办法，1个码元只能包括一个比特的信息，那怎样让一个码元包括更多的比特呢？ 回答： 能够运用混合调制办法，也便是一同去调幅度、频率、相位，进行排列组合，可是频率和相位是相关的，因而它们不能混合调制，这儿就用到振幅和相位的混合调制：
咱们以正交振幅调制 QAM-16 举例：
-
一共有 12 种相位（12 个不同的角度，能够结合下面的图调查） -
每种相位有 1 或 2 种振幅能够挑选（也便是对角线上的两个码元能够有两种振幅进行挑选） -
这样就能够调制出 16 种码元，每种码元能够对应表明四个比特：
考虑：为什么是 16 种码元对应四个比特呢- 假如是一个比特，也便是 0 和 1 两种，咱们就需求有两种不一样的情况进行表明，而假如是两个比特，也便是 00 01 10 11，咱们就需求四种根本波形去表明，而四个比特就需求 24 种码元（根本波形）
考虑：每个码元和四个比特的对应联系是否能随意界说？
关于上面这种情况，咱们能够发现，假如呈现误差的 E 点，被解调为 1111，而原本它是 0000，呈现了四个比特位都不一样，因而对应联系咱们一般运用格雷码，也便是任意两个相邻码元之间只有一个比特不同：
️信道的极限容量
码元的
传输速率、传输间隔、噪声搅扰、传输媒体的质量都会导致信号的失真，那么信号是怎么失真的呢，咱们首要要了解一下信道上的数字信号是怎么传输的
其实传输的方波信号是由基波和谐波叠加构成的，咱们能够看一下基波与三次谐波叠加构成的数字信号：
- 也便是说，假如数字信号的高频分量谐波在传输的时分收到衰减，或者不能经过信道，这样接纳端获取到的波形就会失真，每一个码元所占的时间边界也会变的不明确，这种现象咱们称为码间串扰
- 因而，信道的频带越宽，能经过的信号的高频分量就越多，传输的效率也会越高
奈氏原则
上面咱们也说到，码元传输速度是与信道的频带关联很大的，依据
奈氏给出的公式，就能够依据信道的频率带宽计算出信道的最高码元传输速率
抱负低筒信道的最高码元传输速率 = 2W Band = 2W 码元/秒
-
W信道的频率带宽，单位为 Hz -
Band波特，也便是 码元 / 秒 - 这儿说的是抱负低筒信道的最高码元传输速率，与实践的信道的不同仍是很大的
码元传输速率又称为波特率，波特率和比特率是有必定的联系的：
- 当一个码元只带着一比特的信息量的时分，波特率是和比特率持平的
- 而像咱们上文说到的混合调制
QAM-16，一个码元带着四个比特的信息，比特率便是波特率的四倍 - 而一个码元并不是带着越多的比特的信息越好，由于在实践的信道中的噪音会影响接纳端对码元的辨认
香农公式
相较于奈氏原则，香农公式带上了信噪比，也便是考虑了信道内的高斯噪声而计算出来的极限信息传输速率
香农公式： C = Wlog2 (1 + S/N )
-
C：信道的极限信息传输速率（单位为 b/s） -
W：信道的频率带宽（单位为 Hz） -
S：信道内所传信号的平均功率 -
N：信道内的高斯噪声功率 -
S/N：信噪比，单位为（dB），信噪比 = 10log10(S/N)
从香农公式咱们能够得出：
- 信道的频率带宽和信噪比越大，信道的极限信息传输速率就越高
- 实践情况下也无法达到这个极限信息传输速率，由于在实践信道中，信号还要收到其他一些损害，例如各种脉冲搅扰和信号衰减等
- 想要提高信息的传输速率，就有必要选用更复杂的调制技能，并努力提高信道中的信噪比
总结
本篇博客叙述了物理层的首要效果以及内部的一些完成细节，物理层首要是进行比特流的传输：
- 而传输是需求介质的，因而咱们有介绍
固体媒体、自在空间媒体，也便是运用电线传达和运用无线电传达，而无线电传达是需求运用ISM频段 - 数据是无法直接传输的，需求转换为信号，因而咱们需求把比特流首要经过
编码转为数字信号，然后经过调制转为模拟信号，从而进行传输，这儿咱们介绍了三种编码办法：双极性归零编码、曼切斯特编码、差分曼切斯特编码，以及四种调制办法：调幅、调频、调相、混合调制（以QAM-16举例） - 物理层传输信息的速率自然是越快越好，因而咱们就需求了解信号在信道中怎么进行传输，然后了解到频率带宽与传输速率的联系，从而了解到奈氏原则、香农公式，得出
信噪比与频率带宽关于信息的传输速率的影响
友链
- 编码与调制_调制和编码的差异
- ChatGPT
- 计算机网络微讲堂（湖科大）
✒写在最终
都看到这儿啦~，给个点赞再走呗~，也欢迎各位大佬纠正以及弥补，在评论区一同沟通，共同进步！也欢迎加微信一同沟通：Goldfish7710。
