2. 物理层

通信概念

🔥高优先级

本节的几个知识点选择题常考：奈奎斯特定理、香农定理、通信指标和接口特性，需要掌握计算方法。

真题练习

物理接口特性

物理层定义了设备之间如何通过电缆、无线等物理媒介进行通信。物理层具有以下四种 接口特性：

• 机械特性：描述物理连接设备的 外部物理形态和接口规范，主要包括：

  • 接口的形状（如RJ45、USB等）
  • 接口的引脚数量和排列顺序
  • 电缆的类型（双绞线、光纤、同轴电缆等）

• 功能特性：说明各个 接口引脚具体的功能，例如：

  • 哪个引脚负责发送数据（Tx）
  • 哪个引脚负责接收数据（Rx）
  • 哪些引脚用于控制信号，如握手（RTS/CTS）

• 过程特性：定义了在数据传输过程中，各种物理信号是 如何协作完成数据通信的过程，例如：

  • 传输起始与终止的方式
  • 信号同步的机制
  • 比特之间如何区分（串行或并行）

• 电气特性：规定了物理层信号的 电气属性，包括：

  • 电压的幅值（高电平/低电平）
  • 电流大小
  • 信号的传输速率和传输距离
  • 信号的上升沿、下降沿

例题

传输媒体的分类

导向型传输媒体

同轴电缆

双绞线

双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减信号；对于数字传输，要用中继器对失真的信号进行整形

光纤

多模光纤 由于色散等多种原因，在传输一定距离后必然产生信号是正（脉冲展宽），因此多模光纤只适合近距离传输。

单模光纤没有模式色散，因此适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高。

光纤的优点

• 通信容量非常大
• 抗雷电和电磁干扰性能好
• 传输损耗小，中继距离长无串音干扰，保密性好体积小，重量轻

光纤的缺点

• 切割光纤需要较贵的专用设备
• 目前光电接口还比较昂贵

非导向型传输媒体

无线电波

微波

传输特性： 直线传播、 可以穿透电离层，但在地面传输需要中继站进行接力

传输源

地面 100m 发生塔，最大视距 LOS 传输 距离地面 100 公里

地球同步卫星，低轨道卫星

传输方式

[看图片]

注意，一个传输媒体中根据不同的传输方式，可能只有 单信道 、双信道 或 多个信道

通信指标

信道

与 信道 相关的概念有四个，需要能够辨别这几个名词：

• 信道 (Channel)：是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
• 信号 (Signal)：是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
• 信源 (Source)：产生或发送信息的设备或实体。
• 信宿 (Sink or Destination)：是指接收信息的设备或实体。

码元

一个 码元（symbol）就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带 1bit 数据，也有可能携带 2bit 数据、4bit 数据。

那么怎么实现一个脉冲信号就能携带多个 bit 数据呢？我们可以通过 调制技术 来实现，比如设置模拟信号中信号的频率、相位、振幅 等。

举个例子：把 振幅 分成四种，低（00）、中（01）、高（10）、很高（11），这样我发一个脉冲信号，它的振幅是低，那就说明发送的是 00（也就是 2bit），它的振幅是中（01），发送的就是 01（也就是 2bit）… 以此类推

波特

波特（Baud）是数据通信中的一个术语，用来表示符号（或码元）传输速率。具体来说，波特率（Baud rate）指的是每秒钟传输的码元（symbol）的数量（也叫 调制速率）。

码元和 波特率：一个码元可以携带一个或多个比特的信息。波特率是指每秒钟传输多少个这样的码元。例如，如果 波特率 为 1000 波特，这意味着每秒可以传输 1000 个码元。

波特率 与 比特率：波特率和比特率的关系取决于每个码元携带的比特数。

• 一个码元能携带 1bit 数据，那么 比特率 = 波特率。
• 一个码元能携带 2bit 数据，那么 比特率 = 2 倍的 波特率。
• 一个码元能携带 4bit 数据，那么 比特率 = 4 倍的 波特率。

速率

速率（Rate）是指连接到计算机网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 b/s（比特／秒）或 bit/s（有时也写为 bps )。 重点

当数据率较高时，可用 kb/s（$k=10^3$ ）、Mb/s（$M=10^6$ ）或 Gb/s（$G=10^9$ ）表示。通常把最高数据传输速率称为 带宽。

速率可以用两种指标来衡量：

• 比特率：每秒传输的比特数量
• 波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 n 比特的信息量，则 波特率 M 对应的 比特率 为 $Mn$ bit/s

带宽

带宽（Bandwidth）在通信领域中，指通信线路能够通过的信号频率范围，单位为赫兹（Hz）。 在计算机网络中，带宽通常被引申为通信线路的数据传输能力，即数字信道所能达到的 最大数据传输速率，其单位为比特每秒（b/s）。

例子：如果家里的宽带带宽是 100Mb/s，表示网络在理想情况下，每秒最多可以传输 100兆比特 的数据，相当于大约 12.5MB/s 的下载速度。

带宽吞吐量区别 

在考题中偶尔涉及到带宽和吞吐量的区别：

• 带宽：理论上的最大传输速率，就像是一条高速公路的最大车道数。
• 吞吐量：实际传输速率，受到网络拥塞、协议开销、设备性能等因素影响，往往低于带宽。

举例：虽然网络带宽是 100Mb/s，但在高峰时段可能只能达到 70Mb/s，这 70Mb/s 就是实际的吞吐量。

时延

时延（Delay）指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，它由 4 个部分构成，分别为：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

1. 发送时延：也称 传输时延。节点将分组的所有比特推向（传输）链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

   • 发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)

2. 传播时延：电磁波在信道（传输介质）中传播一定的距离需要花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。

   • 传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)

注意

需要区分 传输时延 和 传播时延。传输时延是路由器将分组推出所需的时间，是分组长度和链路传输速率的函数。传播时延是一个比特从一台路由器传播至另一台路由器所需的时间，是两台路由器之间距离的函数，而与分组长度或链路传输速率无关。

3. 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。例如，分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

4. 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了 排队时延。

因此，数据在网络中经历的总时延就是以上 4 部分时延之和：总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延。

时延带宽积

时延带宽积（Bandwidth-Delay Product，简称 BDP）指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即

$时延带宽积=传播时延\times 信道带宽$

如下图所示，考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则 时延带宽积 表示该管道可以容纳的比特数量。

⭐信道的极限容量

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理 说明了在 无噪声干扰、带宽有限 的理想低通信道中的数据极限传输速率。当实际传输速率小于等于该速率时，可以实现无码间串扰的数据传输。

奈奎斯特定理的 核心思想 是： 即使在没有噪声的理想信道中，信道的带宽仍然限制了其数据传输能力。为了避免相邻码元之间的干扰（即码间串扰），每秒钟最多只能传输有限数量的码元，这个数量与带宽直接相关。

奈奎斯特用一个公式精确地描述了信道的极限传输速率：

$C=2W\cdot lo{g}_{2}V$

其中：

• C 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示无噪声条件下的最大传输速率；
• W 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道允许通过的最高频率范围；
• V 是每个码元可采用的不同离散电平数量；

这个公式本质上是：

$信道容量=每秒码元数\times 每码元比特数$

即：

$bit/秒=(码元/秒)\times (bit/码元)$

其中：

• $2W$ 表示每秒最多传输的码元数（波特率，$\text{baud/s}$）。
• $lo{g}_{2}V$ 表示每个码元可以携带的比特数（因为 V 种电平可以表示 $lo{g}_{2}V$ 比特信息）；

公式具备以下语义：

1. 带宽 (WW) 越大，单位时间内可传输的码元数越多；
2. 每个码元的电平数 (VV) 越多，所携带的信息量越大。

因此，在理想无噪声信道中，极限传输速率取决于带宽和码元的离散电平数。

补充

“2” 到底哪里来的？

实际上这个 2 来自：

$最高码元速率=2W$

它是奈奎斯特采样/无码间串扰理论决定的：

带宽为 W 的理想低通信道，最高只能支持 $2W$ baud。

香农定理

香农定理 说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于改速率时，可以做到不产生误差。

香农定理的 核心思想 是： 即使信道中存在噪声，只要信息传输速率低于某个极限值（即信道容量），就一定可以通过某种编码方式实现几乎无差错的传输。这个极限值取决于信道的带宽和 信噪比。

香农用一个公式精确地描述了信道极限传输速率：

$C=B\ast lo{g}_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示信道理论上的最大传输速率。
• $B$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道可用的频率范围。
• $S$ 是信号功率，表示信号的强度。
• $N$ 是噪声功率，表示信道中噪声的强度。
• $\frac{S}{N}$​ 是 信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），通常以线性形式表示（不是分贝 dB）。

公式中的含义：

1. 带宽 ( $B$ ) 越大，信道容量 ( $C$ ) 越大：这意味着更宽的信道可以传输更多的数据。
2. 信噪比 ( $\frac{S}{N}$​ ) 越大，信道容量 ( $C$ ) 越大：这意味着信号相对于噪声越强，传输速率就越高。

注意

S/N 信噪比有 线性比值 和 分贝（dB） 两种形式

1. 线性比值：

$\frac{S}{N}=\frac{噪声功率}{信号功率}$

2. 分贝形式（dB）：

$\frac{S}{N}dB=10\cdot lo{g}_{10}\frac{S}{N}$​

反过来，从分贝值换算为线性比值：

$\frac{S}{N}=10^{\frac{S}{10N}dB}$

出现在香农公式 $C=B\ast lo{g}_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$ 中的 $\frac{S}{N}$​ 是 线性比值，不是分贝！

采样定理

（有效）采样频率 $\ast$ 每秒发送 bit 数 = 最大数据传输速率

在将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 $f$，那么采样率 $f$ 必须大于或等于最大频率 $f$ 的2倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息。（采样定理）

一般情况下采样次数大多会被浪费，因为最大频率摆在那，不可能每次采样都在传输数据

例题

结论

如果题目中两个准则都能计算出来，最好都算一下结果，最后取最小的 那个值作为数据的最大传输速率

编码和调制

⭐中优先级

常在选择题中考查编码类型和调制概念，需要熟悉几种编码方式的电平特征和调制的思想。

真题练习

在计算机网络中，编码 和 调制 是数据传输的两个关键过程，它们的目标都是为了让 数字信息（如二进制的 0 和 1）能够有效、准确地在 物理介质（如双绞线、光纤、无线电波等）上传输。

编码类型

编码（encoding）指的是把 数字信号（0 和 1）转换成适合在 传输介质 上传输的电信号或光信号。常见的编码方式有以下几种：

如何确认 归零编码 发送了几个码元？增添一根额外的数据线 传输 时钟信号线，实现每隔一个时钟周期接受一个码元（同步）。简称 外同步 传输

对应的 曼彻斯特编码 属于 内同步 传输，发送端将 时钟同步信号 编码到发送数据中传输

但是在计算机网络中，一般不用传输线传输时钟信号，因此，非归零编码不予采用。

[湖科大版]

编码方法	1 的表示	0 的表示
归零编码（RZ）	在时钟周期内由高电平跳到低电平	在时钟周期中保持低电平
非归零编码（NRZ）	时钟周期内保持高电平	时钟周期内保持低电平
反向不归零编码（NRZI）	电平与上一个时钟周期保持一致	电平相比上一个时钟周期发生跳变
曼彻斯特编码（Manchester Encoding）	在时钟周期内由高电平跳到低电平	在时钟周期中由低电平跳到高电平
差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）	电平变化与上一个时钟周期相反	电平变化相比上一个时钟周期一致

可以通过通过以下口诀记忆以上编码方法：

提示

• RZ：一高归零，零全程低
• NRZ：一高零低
• NRZI：零变一不变
• 曼彻斯特：一高到低，零低到高
• 差分曼彻斯特：一反零随

注意

差分曼彻斯特编码的第一个电平如何确定？

标准定义中，差分曼彻斯特的第一个半周期电平没有固定要求，可以为高或低，实际编码只依赖相邻比特间的“是否跳变”关系。

但在考试与教材中，为便于绘图与判定，一般会按照曼彻斯特编码的方向规则来确定第一个比特的波形： 例如，若题目给出的第一个比特是 1，则绘制为“高 → 低”；若是 0，则绘制为“低 → 高”。 在确定了初始半周期后，后续比特再严格遵循差分曼彻斯特的规则进行编码即可。

调制方法

调制方法 指的是把 编码后 的 数字信号 转换为 模拟信号（如正弦波），以适应 物理信道（如无线电波）的传输。

基本调制

基本调制（二元制）方法主要了解以下四种：

1. ASK (幅度偏移键控 - Amplitude Shift Keying)
2. FSK (频率偏移键控 - Frequency Shift Keying)
3. PSK (相位偏移键控 - Phase Shift Keying)
4. QAM (象限幅度调制 - Quadrature Amplitude Modulation)

「# 混合调制

         因为载波的频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制。
通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制QAM。

多元制

物理层设备

⭐中优先级

了解物理层设备类型和功能，常和其他层次设备进行综合性考查。

集线器

定义：集线器（Hub）是一个 物理层设备，用于将多台计算机或其他网络设备连接在一起，从而形成一个单一的网络段。实际是一个多端口的 中继器。（标准的共享式设备）

工作方式：当一个设备通过集线器发送数据时，数据会被 广播到 集线器的所有其他端口。每个连接到集线器的设备都会收到这些数据，但只有目标设备才会处理它。集线器本身不会分析或查看传输的数据。（只起到信号放大和转发作用）

集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能。例如，若网络中某个网卡出了故障，不停地发送帧。此时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障网卡的连线，使整个以太网仍然能正常工作。

由集线器组成的网络在物理上是 星形网络，但逻辑上仍是 总线形网络。

局限性: 由于集线器将数据广播到所有设备，所以它可能导致 网络拥塞。因此，在大型或流量较大的网络中，集线器已经被交换机所取代，交换机能够智能地将数据转发到目标设备。

三个独立冲突域合并

中继器

定义：中继器是一个 物理层设备，用于 放大、整形 数字 信号 并 转发 出去。

工作方式：在以太网或其他类型的网络中，数据在电缆上只能传输一定的距离，超过这个距离，信号会减弱或退化。中继器放置在这种距离的两端，用于接收退化的信号，放大或再生它，然后将它传输到下一段电缆。

应用：中继器被用于 扩展网络 的物理范围，超出了单一段 电缆 或 物理媒体 的限制。

其 扩展网络传输距离 的原理： 对衰减信号 进行 信号再生（ 放大 + 整形 ）

网络适配器

定义：网络适配器 (Network Adapter)，也称为网络接口卡（NIC）或简称 网卡，是一种硬件组件，用于 连接计算机到一个网络。

工作方式：网络适配器为计算机提供了一个或多个网络连接端口，它将计算机的 数字数据 转换为可以在物理媒体（例如双绞线、光纤或无线电波）上传输的 信号。同样，当信号从网络到达网络适配器时，它会将这些信号转换回计算机可以理解的数字数据。

物理地址：每个网络适配器都有一个唯一的 物理地址，称为 MAC 地址。这个地址在生产时被烧录到设备中，用于在局域网内唯一地识别设备

但是一般来说网络适配器是工作在 数据链路层 和 物理层 之间的。

（识别标志就是mac地址）

如果只能选一个，那就是 数据链路层。

传输媒体

不属于 计算机网络体系结构 ，并且上面已经给出。点击这里