计算机网络知识梳理--- 物理层

吐槽

最近在家了实在是无聊,准备把计算机网络知识好好的复习整理一下,春节回去的时候家父问了我一个医院计算机网络搭建的问题,自己觉得自己的计算机网络已经白学了,之前那些复习只是为了应付下面试。这次自己准备从新学习下计算机网络知识,满足下自己的好奇心嘿嘿。

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本文思维导图

计算机网络知识梳理--- 物理层_第1张图片
物理层是计算机网络的最底层,也是最接近原理的那一层,我们主要是要知道下面几个问题:

  • 计算机网络底层数据是什么?
  • 传播的介质是什么?
  • 数据是如何进行传播的 传播的速度怎么样 传播的数据容量多少?
  • 家里如何接入宽带的?
  • 等等一系列问题

1 基础知识

1.1 物理层的基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性,即:

  • 机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
  • 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
  • 过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

1.2数据通信的基本概念

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我们可以看到数据通信的简单模型,我们需要三个结构:

  • 发送者(源系统):将我们的信息变成二进制,然后通过电位的高低表达这个二进制,将我们这一串电位变化传递出去,但是我们的信号是间断的数字信号要想传播就要转换成连续的模拟信号。
  • 传输系统:将发送者的信息(数字信号变成模拟信号)进行适当的处理,然后传播给接收者
  • 接收者(目标系统):将传输系统发送到的数据进行处理从而接收

基本的概念:

  • 数据(data)——运送消息的实体
  • 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现
  • “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的
  • “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的
  • 码元(code)——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。

1.2.1 关于信号的基本概念

信号传播有三种方式:

  • 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
  • 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)
  • 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

在信号的分类中,把信号又分为两种类型:

  • 基带信号(即基本频带信号)——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
  • 带通信号——把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围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能够通过信道)

我们一般把计算机原始的二进制流数据转换成电信号,但是这种电信号不方便在信道里面传输,所以我们必须进行处理这些原始的信号,我们把这种基带信号(就是一大串0101这种)转换成波,然后我们再对这个波的(频率 振幅 相位进行处理,方便我们进行传输。
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1.3 信道的相关概念

所谓的信道就是信息传播的通道,我们数据在传播的时候依靠信道来传播,在传播的过程中也会遇到很多问题

  • 任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
  • 码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重
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    信道也不是能通过所有频率范围的,1924 年,奈奎斯特(Nyquist)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,然后在其理论中有以下几个观点
  • 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
  • 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

1.3.1 香农公式

香农(Shannon)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

  • 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

我们从公式里面可以得出以下结论:

  • 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
  • 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
  • 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。
  • 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

但是我们还能决定的一个变量就是码元,比如之前一个码元我们让他携带一个电位信号表示0或者1,如果我们让其携带两位信号 00 0110 11就可以带四种数据状态 加大数据量,从而加大传输速率。

2 传输媒体

我们的信号要传播就需要一些传输的媒介,基本就是把数字信号转换成电信号,然后再变成模拟信号进行处理,传播媒体分为两类

  • 导向传输媒体(就是直达的意思
  • 非导向传输媒体(就是不能直达的方式

2.1导向传输媒体

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光缆(靠光的全反射进行传播 光也是电磁波

2.2非导向传输媒体

  • 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(微波在空间主要是直线传播,卫星通信

3 信道复用

之前说过,信道就是传输信号的通道,但是我们如果只能每次传播一个信号的话这样的理由效率也太低了,所以我们要想办法复用信道。
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3.1 频分复用,时分复用,统计时间复用

我们可以根据波的特性来进行复用处理
1 频分复用
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)
就是每个用户一直保持用一个频率来发送数据 这样大家可以区分开
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2 时分复用
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是 TDM 帧的长度)。
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3 统计时分复用
时分复用可能会造成 线路资源的浪费 ,所以我们可以优化下
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3.2 波分复用

这个是利用光波的频率进行划分
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3.3码分复用

各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰,每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)

  • 个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
  • 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。
  • 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码
    eg S 站的 8 bit 码片序列是 00011011 发送比特 1 时,就发送序列 00011011 发送比特 0 时,就发送序列 11100100

4 宽带接入技术xDSL技术

小时候家里上网的时候都是通过电话线进行的拨号上网,所谓的xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。

xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
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4 数字传输系统

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把携带的信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。(信息、数据不能直接在介质上传输)
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通信的三个要素:信源、信宿和信道

  • (1)信源:将要传输的消息转化为原始电信号
  • (2)发送器:将原始电信号变为适合信道传输的信号形式;
  • (3)信道:传送信号的物理传输媒体;
  • (4)接收器:从收到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号
  • (5)信宿:将电信号还原为相应的消息;
  • (6)噪声:信道中噪声和通信系统中噪声的集中表现;

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