计算机网络期末复习（第二章 物理层）

第二章 物理层 复习总结

一、物理层概述

1. 物理层的作用

物理层是计算机网络体系结构的最底层。

它解决的问题是：

如何在传输媒体上传输比特流

也就是：

0 和 1 如何变成电信号、光信号、电磁波，
并从发送端传输到接收端。

2. 物理层不关心什么

物理层不关心：

• 数据属于什么应用
• 数据是网页还是视频
• MAC 地址是什么
• IP 地址是什么
• 数据是否出错
• 数据是否可靠到达

3. 物理层只关心什么

物理层只关心：

比特怎样在物理线路上传输

可以理解为：

物理层负责把 0 和 1 变成实际能传输的信号

二、物理层接口特性

物理层接口规范通常包括四类特性：

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

1. 机械特性

机械特性规定：

• 接口形状
• 接口尺寸
• 引脚数量
• 引脚排列方式

例如：

• RJ-45 接口
• 插头尺寸
• 网线接口形状

关键词

接口长什么样

2. 电气特性

电气特性规定：

• 电压范围
• 电平高低
• 阻抗
• 信号强度

例如：

• 高电平表示多少伏
• 低电平表示多少伏

关键词

信号电平

3. 功能特性

功能特性规定：

• 每根线的作用
• 每个引脚的功能

例如：

• 哪根线用于发送
• 哪根线用于接收
• 哪根线用于接地

关键词

引脚功能

4. 过程特性

过程特性规定：

• 通信步骤
• 操作顺序
• 信号出现的先后顺序

例如：

• 先发送什么信号
• 后发送什么信号
• 如何建立连接
• 如何释放连接

关键词

操作流程

5. 高频考点

不属于物理层接口规范的是：

物理地址，也就是 MAC 地址

原因：

MAC 地址属于数据链路层

三、消息、数据、信号

这一部分非常容易混。

三者关系：

消息 → 数据 → 信号

1. 消息

消息是：

通信的真正内容

例如：

• 语音
• 文字
• 图像
• 视频

一句话理解

消息是人真正想传的内容

2. 数据

数据是：

消息经过编码后的形式

例如：

• JPG 文件
• MP3 文件
• 二进制编码

一句话理解

数据是运送消息的实体

3. 信号

信号是：

数据在通信线路上的物理表现

例如：

• 电信号
• 光信号
• 电磁波

一句话理解

信号是线路中真正传播的东西

4. 举例理解

例如发送：

你好

过程为：

消息：“你好”
↓ 编码
数据：010101…
↓ 转换
信号：电信号 / 光信号 / 电磁波

四、模拟信号与数字信号

1. 模拟信号

模拟信号是：

取值连续的信号

例如：

• 声音
• 温度
• 广播信号

特点

连续变化

2. 数字信号

数字信号是：

取值离散的信号

例如：

• 0 和 1
• 高低电平
• 脉冲信号

特点

离散变化

3. 高频判断题

模拟信号不能在无线媒体上传输

错误。

原因：

无线广播、无线电通信都可以传输模拟信号

五、码元

1. 码元的定义

码元是：

表示离散数值的一段基本波形

也可以理解为：

信号的基本单位

2. bit 与码元区别

bit

bit 是：

信息单位

码元

码元是：

信号单位

3. 关键点

一个码元不一定只表示 1 bit

4. 二进制情况

如果只有两种状态：

• 高电平
• 低电平

则：

1 码元 = 1 bit

5. 多进制情况

如果有 4 种状态：

A、B、C、D

可以表示：

00、01、10、11

所以：

1 码元 = 2 bit

如果有 16 种状态：

log2 16 = 4

所以：

1 码元 = 4 bit

六、波特率与比特率

1. 波特率

波特率表示：

每秒传输多少个码元

单位：

Baud

2. 比特率

比特率表示：

每秒传输多少 bit

单位：

bps

3. 二者关系

比特率 = 波特率 × 每码元比特数

即：

RB = RS × log2 V

其中：

RB：比特率
RS：波特率
V：码元状态数
log2 V：每个码元携带的 bit 数

4. 例题

若：

波特率 = 20000 Baud
码元状态数 V = 16

因为：

log2 16 = 4

所以比特率为：

20000 × 4 = 80000 bps

5. 高频结论

提高比特率的方法有两种：

提高码元速率
提高每个码元携带的 bit 数

注意：

码元速率受奈氏准则限制

七、基带信号与调制

1. 基带信号

基带信号是：

来自信源的原始信号

例如：

010101

特点：

• 含有低频分量
• 甚至可能含有直流分量

2. 基带调制

基带调制是：

数字 → 数字

特点：

不使用载波

常见编码：

• NRZ
• RZ
• 曼彻斯特编码
• 差分曼彻斯特编码

3. 带通调制

带通调制是：

数字 → 模拟

特点：

需要载波

常见调制方式：

• ASK
• FSK
• PSK
• QAM

4. 核心区别

八、常见数字编码方式

1. 不归零制 NRZ

不归零制 NRZ 的特点：

电平不回零

例如：

1：高电平
0：低电平

优点

• 简单
• 编码效率高

缺点

如果出现连续 0 或连续 1：

难以同步

2. 归零制 RZ

归零制 RZ 的特点：

每个码元结束前回到零电平

优点

容易同步

缺点

占用带宽较大

3. 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码的核心：

每个码元中间一定发生跳变

跳变既可以：

• 表示数据
• 用于同步

高频重点

曼彻斯特编码：

自带时钟同步能力

因此：

具有自同步特性

缺点

带宽占用较大

4. 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码的核心：

中间一定跳变
开头是否跳变表示数据

记忆口诀

曼彻斯特看中间
差分曼彻斯特看开头

优点

• 同步能力强
• 抗极性反转能力强

九、ASK、FSK、PSK

ASK、FSK、PSK 都属于：

带通调制

也就是：

数字数据调制为模拟信号

1. ASK

ASK：

振幅键控

改变的是：

振幅

记忆

ASK 看高低

2. FSK

FSK：

频移键控

改变的是：

频率

记忆

FSK 看快慢

3. PSK

PSK：

相移键控

改变的是：

相位

记忆

PSK 看起点位置

4. 总结表

十、信道极限速率

1. 影响数据率的主要因素

影响信道极限数据率的主要因素有：

• 带宽
• 信噪比
• 编码方式
• 调制方式

2. 高频易错点

信号传播速度不决定数据率

传播速度影响的是：

传播时延

而不是：

每秒能传多少 bit

十一、奈氏准则

1. 适用条件

奈氏准则适用于：

理想无噪声信道

2. 最高码元速率

最高码元速率 = 2W

其中：

W：信道带宽，单位 Hz

单位：

Baud

3. 例子

电话线频率范围：

300Hz ~ 3300Hz

所以带宽为：

W = 3000Hz

最高码元速率：

2W = 6000 Baud

4. 奈氏最高数据率公式

C = 2W log2 V

其中：

C：最高数据率
W：带宽
V：码元状态数

5. 奈氏准则意义

奈氏准则说明：

码元速率存在上限

所以想提高数据率，可以：

提高每个码元携带的 bit 数

6. 高频重点

奈氏准则限制的是：

码元速率

不是：

信息速率的绝对极限

十二、信噪比

1. 信噪比定义

信噪比表示：

信号平均功率 / 噪声平均功率

记为：

S/N

2. dB 表示法

信噪比(dB) = 10 log10(S/N)

3. 常见换算

若：

S/N = 1000

则：

10 log10 1000 = 30dB

4. 反向换算

若信噪比为：

30dB

则：

S/N = 10^3 = 1000

十三、香农公式

1. 适用条件

香农公式适用于：

有噪声信道

2. 香农公式

C = W log2(1 + S/N)

其中：

C：极限数据率
W：带宽
S/N：信噪比

3. 香农公式意义

香农公式说明：

有噪声条件下，信息传输速率存在绝对上限

4. 高频重点

香农公式限制的是：

信息传输速率极限

十四、奈氏准则与香农公式对比

记忆口诀

奈氏看带宽
香农看噪声

十五、传输媒体

传输媒体分为：

导引型传输媒体
非导引型传输媒体

1. 导引型传输媒体

导引型传输媒体中，信号沿固定线路传播。

包括：

• 双绞线
• 同轴电缆
• 光纤

2. 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体中，信号在自由空间传播。

包括：

• 微波
• 卫星
• 红外
• 无线局域网

十六、双绞线

1. 双绞线定义

双绞线是：

两根绝缘铜导线绞合而成

2. 绞合目的

绞合的目的是：

减少电磁干扰与串扰

3. UTP

UTP 是：

无屏蔽双绞线

特点：

• 价格便宜
• 使用广泛
• 常见于普通局域网

4. STP

STP 是：

屏蔽双绞线

特点：

• 抗干扰能力强
• 成本较高
• 通常需要接地

5. RJ-45

RJ-45 是：

双绞线常用连接器

俗称：

水晶头

6. 直通线与交叉线

直通线

直通线一般用于：

异种设备连接

例如：

• 电脑 ↔ 交换机
• 路由器 ↔ 交换机

交叉线

交叉线一般用于：

同种设备连接

例如：

• 电脑 ↔ 电脑
• 交换机 ↔ 交换机

7. 高频判断题

双绞线既能传数字信号，也能传模拟信号

正确。

十七、光纤与光缆

1. 光纤通信传输什么

光纤通信使用：

光脉冲

传输数据。

2. 光纤结构

3. 光纤传输原理

光纤利用：

全反射

传输光信号。

4. 多模光纤

多模光纤特点：

• 多路径传播
• 适合短距离
• 成本较低

缺点：

失真较大

5. 单模光纤

单模光纤特点：

• 单路径传播
• 适合远距离
• 衰减小
• 传输性能好

缺点：

成本较高

6. 光纤优点

光纤优点：

• 容量大
• 损耗小
• 抗干扰强
• 保密性好
• 体积小
• 重量轻

记忆口诀

大、远、稳、密、轻

7. 高频判断题

光缆中的光纤必须是偶数个

错误。

十八、非导引型传输媒体

1. 微波通信

微波通信特点：

直线传播

因此要求：

视距通信

2. 卫星通信

卫星通信本质上是：

卫星作为空中中继器

优点

覆盖范围大

缺点

传播时延大

3. 红外通信

红外通信特点：

不能穿墙

4. 无线局域网

无线局域网即：

WiFi

常用频段：

• 2.4GHz
• 5GHz

十九、信道复用技术

1. 复用目的

信道复用的目的是：

多用户共享同一信道，提高信道利用率

2. 常见复用技术

常见复用技术：

• FDM
• TDM
• STDM
• WDM
• CDMA

二十、频分复用 FDM

1. FDM 含义

FDM：

Frequency Division Multiplexing

即：

频分复用

2. 核心特点

同一时间，不同频率

3. 记忆

FDM 分频率

二十一、时分复用 TDM

1. TDM 含义

TDM：

Time Division Multiplexing

即：

时分复用

2. 核心特点

同一频率，不同时间

3. 记忆

TDM 分时间

二十二、统计时分复用 STDM

1. STDM 含义

STDM：

Statistical Time Division Multiplexing

即：

统计时分复用

2. 核心特点

动态分配时间片

谁有数据，谁发送。

3. 相比普通 TDM 的优点

信道利用率更高

二十三、波分复用 WDM

1. WDM 含义

WDM：

Wavelength Division Multiplexing

即：

波分复用

2. 主要应用

WDM 主要用于：

光纤通信

3. 本质

光的频分复用

4. 记忆

WDM 分波长

二十四、码分复用 CDMA

1. CDMA 特点

CDMA 的特点是：

同一时间、同一频率、不同码片

每个站点使用：

正交码片序列

2. 发送规则

发送 1

发送本站码片序列

发送 0

发送本站码片序列的反码

不发送

贡献为 0

3. 正交性质

不同站的码片序列满足：

S · T = 0

表示：

不同站之间互相正交

4. 接收判断

接收方用某站码片与收到信号做规格化内积。

结果含义：

5. CDMA 核心思想

想听谁，就用谁的码片匹配

6. 高频判断题

CDMA 抗干扰能力弱

错误。

CDMA 具有较强的抗干扰能力。

二十五、复用技术总结

二十六、通信方式

通信方式主要分为：

单工
半双工
全双工

1. 单工通信

单工通信是：

只能单向通信

例如：

• 广播
• 电视广播

2. 半双工通信

半双工通信是：

可以双向通信，但不能同时进行

例如：

• 对讲机

3. 全双工通信

全双工通信是：

双方可以同时收发

例如：

• 电话
• 现代交换式以太网

二十七、多路复用器与解复用器

1. 多路复用器

多路复用器的作用：

多路合一路

2. 解复用器

解复用器的作用：

一路分多路

二十八、宽带接入技术

常见宽带接入技术包括：

• xDSL
• HFC
• FTTx
• PON

1. xDSL

xDSL 是利用：

电话铜线

传输宽带。

ADSL

ADSL 特点：

下行快，上行慢

适合普通家庭用户访问互联网。

SDSL

SDSL 特点：

上下行对称

2. HFC

HFC：

Hybrid Fiber Coax

即：

光纤同轴混合网

特点：

主干用光纤，用户侧用同轴电缆

3. FTTx

FTTx 表示：

光纤到某处

其中最重要的是：

FTTH

即：

光纤到户

4. PON

PON：

Passive Optical Network

即：

无源光网络

OLT

OLT 位于：

运营商侧

ONU

ONU 位于：

用户侧

也就是常说的：

光猫

EPON

EPON 特点：

• 基于以太网
• 成本较低

GPON

GPON 特点：

• 性能更强
• QoS 更好

二十九、第二章高频判断题总结

1. 双绞线可以传数字信号和模拟信号

正确。

2. 模拟信号不能无线传输

错误。

原因：

模拟信号可以通过无线广播、无线电通信传输

3. 物理地址属于物理层

错误。

原因：

物理地址，也就是 MAC 地址，属于数据链路层

4. 传播速度决定数据率

错误。

原因：

传播速度决定传播时延，不决定数据率

5. 波分复用主要用于光纤

正确。

6. CDMA 抗干扰能力弱

错误。

原因：

CDMA 抗干扰能力较强

7. Hz 等于 bps

错误。

原因：

Hz 表示频率
bps 表示比特率

8. 波特率等于比特率

错误。

原因：

波特率表示每秒码元数
比特率表示每秒 bit 数

只有在：

1 码元 = 1 bit

时，二者数值才相等。

三十、第二章核心公式汇总

1. 比特率与波特率

比特率 = 波特率 × 每码元比特数

2. 每码元比特数

每码元比特数 = log2 V

其中：

V：码元状态数

3. 比特率公式

RB = RS × log2 V

其中：

RB：比特率
RS：波特率
V：码元状态数

4. 奈氏最高码元速率

最高码元速率 = 2W

5. 奈氏最高数据率

C = 2W log2 V

6. 信噪比 dB 公式

信噪比(dB) = 10 log10(S/N)

7. 香农公式

C = W log2(1 + S/N)

三十一、本章重要结论汇总

1. 物理层作用

物理层负责在传输媒体上传输比特流

2. 物理层接口特性

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

3. 消息、数据、信号

消息 → 数据 → 信号

4. 模拟信号与数字信号

模拟信号：取值连续
数字信号：取值离散

5. bit 与码元

bit 是信息单位
码元是信号单位
一个码元不一定只表示 1 bit

6. 波特率与比特率

波特率：每秒码元数
比特率：每秒 bit 数

7. 基带调制与带通调制

基带调制：数字 → 数字
带通调制：数字 → 模拟

8. 曼彻斯特编码

每个码元中间一定跳变
具有自同步能力

9. ASK、FSK、PSK

ASK 改变振幅
FSK 改变频率
PSK 改变相位

10. 奈氏与香农

奈氏准则：无噪声信道，限制码元速率
香农公式：有噪声信道，限制信息传输速率

11. 传输媒体

导引型：双绞线、同轴电缆、光纤
非导引型：微波、卫星、红外、无线局域网

12. 复用技术

FDM：分频率
TDM：分时间
STDM：动态分配时间片
WDM：分波长
CDMA：分码片

三十二、本章考前速记

1. 物理层干什么

传输比特流

2. 接口四特性

机械特性：接口长什么样
电气特性：信号电平
功能特性：引脚功能
过程特性：操作流程

3. 三个概念

消息：真正要传的内容
数据：消息编码后的形式
信号：线路中传播的物理表现

4. 码元与 bit

码元是信号单位
bit 是信息单位
1 码元不一定等于 1 bit

5. 波特率与比特率

波特率：每秒多少码元
比特率：每秒多少 bit
比特率 = 波特率 × log2 V

6. 编码与调制

基带调制：数字 → 数字
带通调制：数字 → 模拟
曼彻斯特编码具有自同步能力

7. 三种键控

ASK：振幅
FSK：频率
PSK：相位

8. 奈氏准则

适用于无噪声信道
最高码元速率 = 2W
最高数据率 = 2W log2 V

9. 香农公式

适用于有噪声信道
C = W log2(1 + S/N)

10. 奈氏和香农区别

奈氏看带宽，限制码元速率
香农看噪声，限制信息速率

11. 传输媒体

双绞线：绞合减少干扰
光纤：全反射，容量大、损耗小、抗干扰强
微波：视距通信
卫星：覆盖广、时延大
红外：不能穿墙

12. 复用技术

FDM：同时间，不同频率
TDM：同频率，不同时间
STDM：谁有数据谁发送
WDM：光的频分复用
CDMA：同时间、同频率、不同码片

13. 通信方式

单工：只能单向
半双工：能双向，但不能同时
全双工：能同时双向

14. 宽带接入

ADSL：下行快，上行慢
SDSL：上下行对称
HFC：光纤同轴混合网
FTTH：光纤到户
PON：无源光网络
ONU：用户侧光猫