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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。
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
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。
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 )。
当数据率较高时，可用 kb/s（k = 103 ）、Mb/s（M = 106 ）或 Gb/s（G = 109 ）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。
- 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)
- 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。
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。
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×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。
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⋅log2V
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×每码元比特数
即：
bit/秒=(码元/秒)×(bit/码元)
其中：
- 2W 表示每秒最多传输的码元数（波特率，baud/s）。
- log2V 表示每个码元可以携带的比特数（因为 \(V\) 种电平可以表示 \(\log_2 V\) 比特信息）；
公式具备以下语义：
- 带宽 (\(W\)) 越大，单位时间内可传输的码元数越多；
- 每个码元的电平数 (\(V\)) 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 。
“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∗log2(1+NS)
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。
- NS 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：
- 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。
- 信噪比 ( NS ) 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
- 线性比值：
NS=噪声功率信号功率
- 分贝形式（dB）：
S/NdB=10⋅log10NS
反过来，从分贝值换算为线性比值：
NS=1010S/NdB
出现在香农公式 C=B∗log2(1+NS) 中的 NS 是 线性比值，不是分贝！
相关笔记
- 计算机网络体系结构
- 网络设备总结
- 分层结构
- 各层协议总结