[计网01] 物理层 详细解析笔记,特性

计算机网络的物理层是网络协议栈中的第一层，负责传输原始的比特流（bitstream）通过物理媒介进行通信。物理层主要关注传输介质、信号的编码和调制、数据传输速率以及数据传输的物理连接等方面。

相关特性

1. 机械特性（Mechanical Characteristics）：机械特性关注物理层中与物理连接和传输介质相关的方面。这包括连接器类型、电缆类型、插拔力度、物理尺寸、接口形式等。机械特性确保设备之间的物理连接可靠，并提供适当的连接方式和物理适配性。
2. 电气特性（Electrical Characteristics）：电气特性涉及物理层中与电信号传输相关的方面。这包括信号电压、电流、阻抗、传输速率、信号衰减、时钟同步等。电气特性确保电信号在传输过程中能够正确地被接收和解码，同时保持信号的准确性和稳定性。
3. 功能特性（Functional Characteristics）：功能特性描述物理层的功能和行为。这包括信号编码方式、调制技术、信道复用方式、错误检测和纠错机制等。功能特性确保数据能够在传输过程中以正确的格式和顺序传送，并提供必要的错误检测和纠正功能。
4. 规程特性（Procedural Characteristics）: 连接建立和释放：规程特性定义了物理层中建立和释放连接的过程和规范。这包括确定连接的参与方、协商连接参数、建立连接的顺序和步骤，以及释放连接的顺序和步骤等。
    

• 数据data:传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
• 信号:数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
• 数字信号/离散信号:代表消息的参数的取值是离散的。几模拟信号/连续信号:代表消息的参数的取值是连续的。
• 信源:产生和发送数据的源头。信宿:接收数据的终点。
• 信道:信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

通信方式
 

1. 单工通信：
   
   单工通信是指数据只能在一个方向上传输的通信模式。在这种模式下，数据只能从发送方传输到接收方，而接收方无法向发送方发送数据。
   
   这类似于一台服务器向多个客户端发送数据而不接收来自客户端的响应。例如，Web服务器向客户端提供网页内容时，采用的是单向的单工通信模式。
   
   
    
2. 半双工通信/双向交替通信：
   
   半双工通信是指数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。在这种模式下，通信的双方交替地发送和接收数据。一方发送数据时，另一方必须等待接收完毕后才能发送数据。
   
   这类似于对讲机通信，其中通信方必须按下按键才能发送消息，而在接收消息时必须松开按键。另一个例子是以太网中的半双工模式，其中数据传输在发送和接收之间切换。
   
   
    
3. 全双工通信/双向同时通信：
   
   全双工通信是指数据可以在两个方向上同时进行传输的通信模式。在这种模式下，发送方和接收方可以同时发送和接收数据，实现真正的双向通信。
   
   典型的例子是在以太网中使用的全双工模式，其中数据可以同时在发送和接收之间进行传输，允许同时进行上传和下载操作。另一个例子是在互联网电话（VoIP）通信中，双方可以同时进行语音通话。

数据传输模式

并行传输
串行传输

• 异步传输：
  异步传输是一种基于起始和停止位的字符为单位的传输方式。
  在异步传输中，每个字符之间可以有任意的时间间隔，字符的传输不依赖于时钟同步。
  发送方在发送字符之间可以有不规律的间隔，而接收方通过检测起始和停止位来确定每个字符的边界。
  异步传输常用于串行通信中，例如通过串口进行的数据传输。它具有灵活性和简单性，但由于没有严格的时钟同步，对于高速和高可靠性的传输可能不够适用。

• 同步传输：
  同步传输是一种基于时钟同步的数据传输方式。
  在同步传输中，发送方和接收方通过共享时钟信号来保持数据传输的同步。
  数据被划分为固定大小的块或帧，并在每个时钟周期内进行传输。发送方和接收方都依赖于同一个时钟源，以确保数据的同步传输。

同步传输通常用于高速和高可靠性的数据传输，例如在计算机网络中的以太网通信。它提供了更高的传输效率和准确性，但要求发送方和接收方保持时钟同步。
 

JS中的Ajax与异步传输

Ajax（Asynchronous JavaScript and XML）是一种在Web开发中常用的异步传输技术。

Ajax允许通过在后台发送HTTP请求并异步接收响应来更新Web页面的部分内容，而无需刷新整个页面。这种异步性质使得用户能够在等待服务器响应时继续与页面进行交互。通过Ajax，可以实现动态加载数据、提交表单、更新页面等功能。

在Ajax中，使用JavaScript编写代码来发送异步HTTP请求，并通过回调函数处理服务器的响应。这种方式允许页面在后台与服务器进行通信，而不会阻塞用户界面的其他操作。Ajax常用的技术包括使用XMLHttpRequest对象或更现代的Fetch API来发送请求，并通过回调函数或Promise来处理响应。

虽然Ajax的名称中包含"XML"，但实际上它可以与各种数据格式一起使用，不仅限于XML。现代的Ajax应用通常使用JSON（JavaScript Object Notation）作为数据交换的格式。

因此，Ajax是一种使用异步传输技术的Web开发方法，它利用JavaScript和HTTP来实现与服务器的异步通信，从而实现页面的动态更新和交互。

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2） ,
此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

码元

比如:
4进制码元
码元的离散状态有4个4种高低不同的信号波形00、01、10、11
`4进制码元`对于的bit位就是 `2bit`
那么`16进制`呢 很显然是 `4bit`

`码元传输速率`码元 Baud/s

`信息传输速率` bit/s 或者 二进制码元/s

M进制 X Baud /s 就是  M X  bit /s

带宽

1. 模拟信号系统中:当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)。
2. 数字设备中:表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)

失真

奈氏准则

在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。

1.在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

2.信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

4.由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

 

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。

但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

类似于 课堂上老师和学生 的声音hh

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位

香农定理在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2.对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

 

物理层设备

网段

在计算机网络中，网段（Subnet）是指一个较大的网络地址空间被划分为多个较小的子网络的过程。每个子网络都被分配一个唯一的网络地址，形成一个独立的网络区域。

网段的划分是为了有效管理和组织网络，使得不同的子网络可以独立地进行通信和管理。每个网段通常包含一组主机（计算机、设备等），这些主机共享相同的网络前缀，即网络地址的高位部分。通过将网络划分为多个网段，可以实现更灵活的地址分配和路由控制。

划分网段时，常用的方法是使用子网掩码（Subnet Mask）。子网掩码是一个与 IP 地址相对应的二进制掩码，用于划分网络地址和主机地址的边界。子网掩码中的1位表示网络地址的部分，0位表示主机地址的部分。通过与 IP 地址进行按位逻辑与运算，可以确定该 IP 地址所属的网段。

例如，假设有一个 IP 地址为 192.168.0.1，子网掩码为 255.255.255.0，那么该 IP 地址属于网段 192.168.0.0。在同一个网段内的主机可以直接进行通信，而在不同网段之间需要通过路由器等设备进行通信。

网段的划分有助于提高网络的性能、安全性和管理效率。它允许网络管理员根据需求划分不同的子网络，并为每个子网络分配适当的 IP 地址范围。同时，网段划分也支持实现细粒度的访问控制和路由策略，以满足不同子网络的特定需求

中继器

诞生原因:由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

中继器的功能:对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

中继器的两端:两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发，傻)

集线器

集线器的功能:

对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

解决冲突:

解决冲突的责任落在连接到集线器的设备上。这些设备通常使用一种叫做"载波监听多路访问/碰撞检测"（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）的协议来处理冲突。CSMA/CD协议通过以下步骤来解决冲突：

1. 载波监听（Carrier Sense）：设备在发送数据之前会监听信道上是否有其他设备正在发送数据。如果检测到信道上有数据传输，则设备会等待一段时间再尝试发送数据。
2. 多路访问（Multiple Access）：如果信道上没有其他设备正在发送数据，设备将开始发送自己的数据。
3. 碰撞检测（Collision Detection）：设备在发送数据的同时，会继续监听信道上的信号。如果设备检测到信道上有其他设备的信号，表示发生了碰撞。设备会立即停止发送数据，并发送一个碰撞信号给其他设备。
4. 退避与重传（Backoff and Retransmission）：当发生碰撞后，设备会等待一段随机时间，然后再次尝试发送数据。这个随机时间的范围逐渐增加，以减少再次发生碰撞的可能性。

通过CSMA/CD协议，连接到集线器的设备能够在发生冲突时进行冲突检测、退避和重传，从而尽量减少碰撞的发生，并有效解决冲突。然而，由于冲突的存在，集线器的性能和网络效率相对较低，因此在现代网络中，更常使用交换机（Switch）来代替集线器，以实现更高效的数据传输和冲突管理。

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