计算机网络原理 物理层的基本概念

《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。

（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。

⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。

在使⽤时间域（或简称为时域）的波形表⽰数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。

（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。

（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即通信的双⽅都可以发送信息，但不能双⽅同时发送（当然也就不能同时接收）。

这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。

例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。

例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。

像计算机输出的代表各种⽂字或图像⽂件的数据信号都属于基带信号。

物理层的基本概念
物理层是计算机网络体系结构中的第一层，也是网络通信的最底层。

它负责通过物理媒介传输比特流，将数据从发送方传输到接收方。

以下是物理层的几个基本概念：
1. 媒体传输：物理层负责选择合适的物理媒介，如铜线、光纤或无线电波，来传输数据。

不同的物理媒介具有不同的传输速率和传输距离限制。

2. 数据编码：在物理层中，数据需要经过适当的编码方式转换为比特流。

常见的编码方式包括不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

3. 时钟同步：为了确保数据的正确传输，发送方和接收方的时钟需要保持同步。

物理层负责确保数据以正确的速率和时序传输。

4. 数据传输模式：物理层定义了数据的传输模式，可以是单工模式、半双工模式或全双工模式。

单工模式只允许数据在一个方向上传输，半双工模式允许数据在两个方向上交替传输，全双工模式允许数据在两个方向上同时传输。

5. 物理地址：物理层使用物理地址来唯一标识网络中的设备。

这些地址通常由网络适配器（网卡）提供，如MAC地址。

6. 基带与宽带传输：基带传输指的是将原始比特流直接传输到物理媒介上，适用于短距离数字通信。

宽带传输则指的是将数
据进行调制，转换为模拟信号再进行传输，适用于长距离传输和高速信号传输。

物理层的主要任务是确保数据在发送方和接收方之间可靠、高效地传输。

它提供了一些基本的传输机制和规范，为更高层的网络协议提供可靠的通信基础。

第一章1、什么是计算机网络：计算机网络是由各自具有自主功能而又通过各种通信手段相互联接起来以便进行信息交换、资源共享或协同工作的计算机组成的复合系统。

常见的网络拓扑结构有星型网络、总线型网络、树型网络、环型网络和网状型网络2、各层的功能：物理层：在物理媒体上传输原始的比特流数据链路层：将原始的物理连接改造成无差错的、可靠的数据传输链路网络层：路由选择传输层：为高层用户提供可靠的、透明的、有效的数据传输服务会话层：完成会话的组织、建立、同步和维护及断开等管理表示层：处理在两个通信系统中交换信息的表示方式应用层：为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段3 IEEE 802.3—CSMA/CD网络，定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。

IEEE 802.4—令牌总线网。

定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。

IEEE 802.5—令牌环形网。

定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。

IEEE 802.6—城域网。

在使用时间域的波形数字信号中，代表不同离散的基本波形称为码元4码元传输速率又称波特率,有些书上叫做传码率或调制速率，记作RB以波形每秒的振荡数来衡量。

如果数据不压缩，波特率等于每秒钟传输的数据位数，如果数据进行了压缩，那么每秒钟传输的数据位数通常大于调制速率，使得交换使用波特和比特/秒偶尔会产生错误。

波特率是指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示，其单位是波特（Baud）。

波特率与比特率的关系是比特率= 波特率×单个调制状态对应的二进制位数（1）计算机向用户提供的两种最重要的功能是：连通性和共享性（2）网络的边缘部分通信方式可分为c/s方式和对等方式（Peer-to-Peer，p2p方式）（3）三种交换方式的特点和区别答：（1）电路交换就是计算机终端之间通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。

当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。

《计算机网络》课程教学大纲（Computer Networks）一、课程简介网络技术是信息时代最为核心的技术之一。

是构建教育信息化环境、推进信息技术教育应用的基础技术和基本手段，是教育技术领域最基础、使用最为广泛的技术之一。

本课程的主要内容是以OSI（开放系统互联）模型为理论体系，以TCP/IP体系为应用体系的关于计算机网络的基本概念、原理和方法。

探讨包括物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层在内的TCP/IP体系结构各层次的主要功能、原理、协议和设备。

其目的是通过本课程的学习使教育技术系的学生能了解计算机网络的基本工作原理、计算机网络的分层结构、主要的网络协议、主要的网络互连设备、主要的网络服务配置以及近年来网络技术的最新发展，为他们应用局域网、Internet网络构建教育信息化环境，推进计算机网络在教育教学及相关领域的应用，解决教学和生活中所面临的实际问题奠定基础。

二、课程的性质、目的和任务《计算机网络》是教育技术学专业必修的学科基础课程。

通过本课程的学习，希望学生全面了解计算机网络的基础知识；熟悉常用的网络通信协议及网络体系结构；了解常见的网络互联设备；初步掌握常见的网络互联设备的配置方法；能独立组建较为简单的局域网；掌握常用的网络服务的构建与配置；具备初步的网络管理及维护能力。

三、课程教学的基本要求（一）引入网络技术发展的最新成果，拓展教学内容，保证教学内容的实时性和前沿性；（二）规范课程实验、实训，完善课程实验及实训的考核体系，加大实验成绩在课程评价中比重，突出网络知识的实际应用及学生动手能力培养；（三）使学生了解计算机网络的基本概念及基础知识；理解计算机网络的工作原理、熟悉计算机网络的两种主要体系结构OSI和TCP/IP体系结构；（四）掌握物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层等主要层次的功能及协议；（五）掌握常见网络互联设备的功能及特点，初步掌握路由器、交换机等网络互连设备的配置；（六）掌握VLAN、TRUNK的原理与配置，熟悉IP子网规划；（七）掌握DNS、WEB、FTP、DHCP等常见网络服务的原理、配置与应用；（八）了解无线网络、网络安全及网络管理的相关知识。

计算机网络层次结构计算机网络层次结构是指计算机网络中不同层次之间的组织和交互方式。

不同层次负责不同的功能，通过交互和通信实现信息传输和处理。

本文将介绍计算机网络层次结构的基本概念、不同层次的功能以及它们之间的交互关系。

一、计算机网络层次结构概述计算机网络层次结构是为了实现复杂的网络功能而设计和组织的。

它将整个网络划分为若干层次，每个层次都有特定的功能，并与上一层和下一层进行交互。

层次结构的设计可以使网络的管理和维护更加简化，也能够实现灵活的网络扩展和升级。

二、物理层物理层是网络层次结构的最底层，负责网络中数据的传输。

它主要关注传输介质、电压等底层细节。

物理层的功能包括数据编码、物理接口定义、传输速率等。

三、数据链路层数据链路层位于物理层之上，负责将物理层传输的比特流组织成数据帧，并进行差错检测。

数据链路层的功能包括帧同步、流量控制、差错检测和纠错等。

四、网络层网络层是计算机网络中最为重要的层次之一，它负责将数据传输到目标地址。

网络层主要实现路由选择、拥塞控制、数据分段和重组等功能。

它使用IP协议进行数据传输，并通过路由器进行数据转发。

五、传输层传输层提供端到端的可靠数据传输，它使得应用层不用关心网络细节。

传输层负责分段和重新组装数据，同时提供流量控制和可靠性保证。

常用的传输层协议是TCP和UDP。

六、应用层应用层是计算机网络最上层的层次，它接受数据并提供给用户。

应用层的功能包括数据编码、数据压缩、安全性控制等。

常见的应用层协议有HTTP、FTP和SMTP等。

七、网络层次结构之间的交互关系在计算机网络层次结构中，不同层次之间通过服务接口进行交互。

每个层次负责向上一层提供一定的服务，并使用下一层提供的服务。

这种层次结构使得网络的设计和维护更加灵活和可扩展。

八、总结计算机网络层次结构是实现复杂网络功能的重要组织方式。

不同层次之间通过服务接口进行交互，每个层次有特定的功能。

物理层负责数据传输，数据链路层处理数据帧，网络层实现数据传输到目标地址，传输层提供可靠数据传输，应用层提供用户接口。

第二章物理层2.1 物理层的基本概念用于物理层的协议也常称为物理层规程物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性∙机械特性∙电气特性∙功能特性∙过程特性数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输。

2.2 数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型由原系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端，接收方）组成信号的分类：模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。

2.2.2有关信道的几个基本概念双方信息交互的方式●单工通信（单项通信）●双半工通信（双向交替通信）●全双工通信（双向同时通信）来自信源信号常称为基带信号（即基本频带信号）调制：基带调制（编码）：数字信号->数字信号带通调制（需要使用载波）：数字信号->模拟信号常用编码方式●不归零制：正电平代表1，负电平代表0●归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0●曼切斯特编码（常用）：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1.●差分曼切斯特编码：在每一位中心处始终都有跳变。

位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1.基本的带通调制方法：⏹调幅（AM）⏹调频（FM）⏹调相（PM）2.2.3信道的极限容量奈氏准则(理想条件下）：在任何信道中，在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

香农公式(带宽受限、高斯白噪声)指出：信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S) (b/s)W 为信道的带宽（以Hz 为单位）S 为信道内所传信号的平均功率N 为信道内部的高斯噪声功率信噪比=10 log10 (SN) (dB）提高信息传输速率的方法：●提高信道带宽●提高信噪比●提高每个码元携带的信息量2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1导引型传输媒体1.双绞线（双扭线）2.同轴电缆50Ω同轴电缆——LAN/数字传输常用70Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输常用3.光缆2.3.2非导引型传输媒体1.无线传输2.短波通信3.无线电微波2.4 信道复用技术●频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源●时分复用TDM（等时信号）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。