1.通信基础基本概念

信源：信号的来源（即数据的发送方）

信宿：信号的“归宿”（即数据的接收方）

每一个信号就是一个“码元”

把“信号周期”称为码元宽度

每个码元携带多个信号：

优点：每个“信号周期”可以传输更多信息。换句话说，每个码元可以携带更多信息。

代价：需要加强信号的功率，并且对信道的要求更高

如果一个码元（即一个信号）可能有8种状态，可以称8进制码元

一个码元可以携带多少比特的数据？

如果一个“周期”内有K种信号，则：1码元=\log_{2}{K}bit

速率：

• 波特率：每秒传输几个码元，单位：码元/秒，或波特（baud）
• 比特率：每秒传输几个比特，单位：bit/s，bps

2.信道的极限容量

噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理（奈氏准则）

对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道）极限波特率= 2W¹（单位：波特，即码元/秒）

极限比特率= 2W\log_{2}{K}b/s

香农定理

对于一个有噪声、带宽有限的通道，极限比特率 = W\log_{2}{(1 + S/N)}¹²（单位：b/s）

信噪比越高，影响越小

信噪比以“dB”（分贝）“为单位表示信噪比。

信噪比 = 10\log_{10}{S/N}(单位：dB（分贝）)

3.编码和调制

常用的编码方法

不归零编码（NRZ）：低0高1,中不变

归零编码（RZ）：低0高1,中归零

反向非归零编码（NRZI）：跳0不跳1看起点，中不变

曼彻斯特编码：跳0反跳1看中间，中必变

以太网默认使用曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码：跳0不跳1,看起点，中必变

各编码的特点

自同步能力：信源和信宿可以根据信号完成“节奏同步”，无需时钟信号

常见的调制方法

基带信号：来自信源的数字信号，需调制后才能在某些信道上传输

正交幅度调制（QAM）

正交幅度调制（QAM）：将AM、PM结合起来，形成叠加信号

若设计m种幅值、n种相位，则将AM、PM信号两两“复合”，可以调制出mn种信号，则QAM

1码元 = \log_{2}{mn}bit

常见的QAM调制方案：

传输介质

常见传输介质

导向性

方向朝固定方向传播

双绞线

主要构成：两根导线相互绞合而成（有屏蔽层 = 屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层 = 非屏蔽双绞线（UTP））

抗干扰能力：较好。绞合、屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力

代表应用：近些年的局域网、早期电话线

同轴电缆

主要构成：内导体（用于传输信号）+外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）

抗干扰能力：好。屏蔽层带来的良好抗干扰性

代表应用：早期局域网、早期有线电视

内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

光纤

主要构成：纤芯（高折射率）+包层（低折射率），利用光的全反射特征，在纤芯内传输光脉冲信号

分类：

• 单模光纤：只有一条光线在一根光纤种传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
• 多模光纤：多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真

抗干扰能力：非常好。光信号对电磁干扰不敏感

其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继少；很细很省布线空间

多摸光纤（MMF，Multi-Mode Fiber）：

特点：纤芯更粗，可同是传输多条光线，信号传输损耗更高。适合近距离传输

单模光纤（SMF，SIngle-Mode Fiber）：

特点：纤芯更细，直径小于一个波长，只能传输一条光线，信号损传输耗低。适合近距离传输

以太网对有线传输介质的命名规则

速度 + Base³ + 介质信息

非导向性传输介质（无线传输介质）

信号朝四面八方传播

无线电波

特点：穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱

如：手机信号、WIFI

微波通信

特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差（容易被窃听）

如：卫星通讯（卫星作为信号中继器，传播时延较大）

其他

红外通信、激光通信等——信号指向性强

本质上都是用电磁波。电磁波公式C=\lambda F，C为光速，\lambda为波长，F为频率

• 电磁波频率，波长呈反比关系
• 频率越高，数据传输能力越强
• 波长越短，“信号指向性”越强，信号越趋于直线传播
• 波长越长，“绕射性”越好，也就是信号“穿墙”能力越强

结论：长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、告诉通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源

物理层接口的特性

机械特性

指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制等

功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

过程特性（规程特性）

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

4.物理层设备

中继器

中继器只有两个端口。通过一个端口接受信号，将失真信号整形再生，并转发到另一个端口（信号再生会产生一些时延）

仅支持半双工通信（两端连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”）

中继器的两个端口对应两个“网段”

集线器

本质上是多端口中继器。集线器将一个端口接收到的信号整形再生后，转发到其他端口

各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”

集线器的N个端口对应N个“网段”，各网段属于同一个：冲突域“

冲突域（碰撞域）

如果两台主机同时发送数据会导致”冲突“，则这两台主机处于同一个”冲突域“。处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行”信道争用“

结论：集线器不能“隔离”冲突域

集线器、中继器补充特性

• 5-4-3原则:使用集线器(或中继器)连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段，使用4 台集线器(或中继器)，只有3个网段可以挂接计算机。
• 物理星形拓扑，逻辑总线拓扑
• 共享带宽

• 差异