2、物理层1（计算机网络笔记）

二、物理层

2.1 物理层的基本感念

物理层解决如何在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。物理层的主要任务描述为：确定传输媒体的接口的一些特性，即

• 机械特性：例接口形状，大小，引线数目
• 电气特性：例规定电压范围（+5到-5）
• 功能特性：例规定-5v表示0，+5v表示1
• 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤。

2.2 数据通信的基础知识

• 典型的数据通信模型
  

  

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  说明：这是典型的数据通信模型，而局域网中的两台电脑就直接发出数字信号，接收数字信号。

• 相关术语
  1、通信的目的是传送消息
  2、数据：运送消息的实体
  3、信号：数据的电气或电磁表现
  4、模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
  5、数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
  6、码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散值的基本波形就称为码元。其实就是表示0或1的波形。在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量。这里之所以是nbit是因为有时候可能我们信号的取值不是只有-5v和+5v两种取值，而可能有000、001、...、111等七种不同的取值，而这里的000就是一个码元，而它可以表示3bit的信息量。

• 有关信道的几个基本概念
  1、信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。
  2、单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，比如有线电视。
  3、双向交替通信（半双工通信）：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），比如对讲机。
  4、双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

• 基带（baseband）信号和带通（band pass）信号
  1、基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
  2、带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率方位搬移到较高的频段，以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内够通过信道）。
  因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

• 几种基本的调制方法
  调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
  调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
  调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。正弦波、余弦波 交替。
  

  

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• 常用编码
  1、单极性不归零码：只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0。
  2、双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。
  3、单极性归零码：以高电平和零电平分别表示二进制1和0，而且在发送码1时高电平在整个码元期间T只持续一段时间τ，其余时间返回零电平。
  4、双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。
  

  

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  5、曼彻斯特编码
  
  

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  说明：前面的编码中信号0与没有信号都表示为0，而这里就能区分开来。
  6、差分曼彻斯特编码
  
  

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• 信道的极限容量
  

  

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  奈氏准则：1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。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，使接收端对码元的识别称为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

• 波特与比特的区别
  波特 在调制解调器中经常用到波特这个概念，比特是信息量 。如果一个码元含有3 bit信息量1波特 = 3 bit/s

• 信噪比
  香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为：
  C = W log2(1+S/N) b/s，其中W为信道的带宽（单位为Hz）；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。
  香农公式表明：
  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、只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
  3、若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
  4、实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

• 奈氏准则和香农公式的应用范围
  

  

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2.3 物理层下面的传输媒体

• 导向传输媒体
  导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。
  1、双绞线
  屏蔽双绞线 STP
  无屏蔽双绞线 UTP
  2、同轴电缆
  50Ω同轴电缆 用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；
  75Ω同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆。
  

  

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  这里我们细说一下网线：
  1、直通线：具体的线序制作方法是，双绞线夹线顺序是两边一致，统一都是：1：白橙、2：橙、3：白绿、4：蓝、5：白蓝、6：绿、7：白棕、8：棕。注意两端都是同样的线序且一一对应。这就是100M网线的做线标准，即568B标准，也就是我们平常所说的正线或标准线、直通线。
  2、直通线应用最广泛，这种类型的以太网电缆用来实现下列连接：
  主机到交换机或集线器，路由器到交换机或集线器，而主机到主机要使用交叉线。
  
  

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  现在有些网卡比较智能，可以自动调整线序。
  3、光缆
  
  

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  说明：单模光纤指只能传输一种电磁波模式，多模光纤只可以传输多个电磁波模式，实际上单模光纤和多模光纤之分，也就是纤芯的直径之分。其实就是多模光纤可以传播多种入射角的光，而单模光纤中，光就不进行反射，而是直接传播。单模光纤细，多模光纤粗。在有线电视网络中使用的光纤全是单模光纤，其传播特性好，带宽可达10GHZ，可以在一根光纤中传输60套PAL—D电视节目。

• 非导向传输媒体
  非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。 有地面微波接力通信，卫星通信 。

• 物理层设备-集线器
  工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，就是集线器会将收到的信号像所有接在其上的主机发送，有网卡去判断是否要接收。最大传输距离：100m。集线器是一个大的冲突域。现在使用较少了，一般都使用交换机。