计算机网络——物理层(一)

文章目录

  • 计算机网络——物理层(一)
    • 一、物理层概述
      • 1.1 概述
      • 1.2 特性
      • 1.3 信号
      • 1.4 信号在信道/传输介质上传输
      • 1.5 带宽
      • 1.6 数字带宽和物理带宽的关系
        • 1.6.1 奈奎斯特定理
        • 1.6.2 香农定理
    • 二、有导向的传输介质
      • 2.1 传输介质
      • 2.2 同轴电缆
      • 2.3 双绞线
        • 2.3.1 非屏蔽式双绞线(UTP)
        • 2.3.2 屏蔽式双绞线(STP)
        • 2.3.3 折中的:网屏式双绞线
        • 2.3.4 直通线和交叉线
      • 2.4 电力线
      • 2.5 光纤(光导纤维)
    • 三、复用技术
      • 3.1 频分多路复用(FDM)
      • 3.2 正交FDM(OFDM)
      • 3.3 波分多路复用WDM
      • 3.4 时分多路复用电路(TDM)
      • 3.5 统计时分多路复用电路(STDM)
      • 3.6 码分多路复用技术(CDMA)
  • 计算机网络——物理层(二)

计算机网络——物理层(一)

一、物理层概述

1.1 概述

物理层是最底层、最基础的一层,他没有下一层的支撑,直接为数据链路层服务。
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物理层的主要功能是提供透明的比特流传输,将封装好的数据以 0、1 比特流的形式进行传输。

1.2 特性

物理层在完成它的功能时,呈现出四大特性。

特性 说明
机械特性 指明接口所有接线器的形状、尺寸、引脚数、排列等,如RJ45
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
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
规程特性 指明对于不同功能各种事件可能出现的顺序,概念类似于协议

1.3 信号

物理层上的数据传输是以信号的形式进行的。

信号是指数据的电气或电磁表现。

信号分为两大类:

模拟信号:对应时域的信号取值是连续的
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数字信号:对应时域的信号取值是离散的。其中,代表不同离散的基本波形称为码元。
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1.4 信号在信道/传输介质上传输

信号在传输过程中,可以看成很多不同频率的分量的传输,因为高频分量的不等量衰减,接收方收到的信号是衰减和变形失真的

截止频率:如果0~fc这段频段,振幅在传输过程中不会明显衰减,则fc为截止频率。

1.5 带宽

物理带宽:传输过程中不会明显衰减的频率范围,通常取决于介质材料。

数字带宽:单位时间内流经的信息总量。

1.6 数字带宽和物理带宽的关系

1.6.1 奈奎斯特定理

在无噪声信道中(理想状态下),当带宽为B hz,信号电平为V级,则:
最大传输速率 = 2Blog2V(bps)
其中V为信号的电平级数,在二进制中仅为0、1两级。
所以每秒高于2B次的速率对线路采样是无意义的,因为高频分量已被过滤掉。

1.6.2 香农定理

在噪声信道中,带宽为B hz,信噪比为S/N,则:
最大传输速率 = Blog2(1 + S/N) (bps)
噪声用分贝(dB)表示,噪声和信噪比的关系是:
在这里插入图片描述

二、有导向的传输介质

2.1 传输介质

传输介质分为:
引导性(有线)传输介质:铜线(同轴电缆、双绞线)、光纤等。
非引导性(无线)传输介质:无线电、卫星、激光等。

2.2 同轴电缆

同轴电缆
由中心导体、绝缘材料层、网状导体、外部绝缘料 四层组成。

基带同轴电缆:50Ω,用于数字传输。
宽带同轴电缆:75Ω,用于模拟传输。
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粗缆:最大传输距离为500米,两端安装终结器,以保证电缆屏蔽层接地。
在这里插入图片描述
细缆(0.35cm):最大传输距离为185米,两头安装BNC头,接在T型连接器两端。
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2.3 双绞线

由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度,逆时针绞合而成,一般绞距越小,传输性能越好。
主要有非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、网屏式双绞线

2.3.1 非屏蔽式双绞线(UTP)

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主要优点有:成本低、尺寸小、易于安装。
缺点主要是:易受干扰、传输距离性能低、收到绞距影响。

2.3.2 屏蔽式双绞线(STP)

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优点:抗干扰。
缺点:成本高、安装不易。

2.3.3 折中的:网屏式双绞线

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在局域网中,使用最多的是UTP,但其实只用到了1236这两对线
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2.3.4 直通线和交叉线

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直通线,线两头的线序一致,常用于连接两台不同的设备,如连接交换机和PC。
交叉线,线两头的线序相反,常用于连接两台相同的设备,如连接两头路由器。
现在直通线交叉线已经不重要,因为我们的设备可以自适应。

2.4 电力线

电力线能够充电还能传输数据。
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2.5 光纤(光导纤维)

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光纤由及细玻璃纤维构成,把光封闭在其中并沿轴向传播。
优点:轻、损耗低、不受干扰、传输频带宽、通信容量大。
缺点:昂贵、易断裂。
光纤原理:全反射
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光纤分为单模光纤喝多模光纤。
单模:以单一模式进行传输,激光产生单束光。
多模:以多个模式同时传输,LED产生的多束光。

当光纤断了可用以下方式进行连接:

  • 光纤连接器(光损失10%~20%)
  • 机械拼接(光损失10%)
  • 熔合(几乎无损失)

光纤相对铜线的特性:带宽高,距离远,损耗低,重量轻,抗干扰,防窃听。

三、复用技术

复用技术是让多用户共享同一根信道(干线)
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3.1 频分多路复用(FDM)

将频率分为若干段,让每个用户占据一段传输自己的信号,频带之间通常留有一定的带宽,以免混淆,这个频段称为保护带。
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3.2 正交FDM(OFDM)

一种更好的利用带宽的FDM(正交频分多路复用),没有保护带,子带相互重叠,广泛使用于802.11、有线电视网络。
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3.3 波分多路复用WDM

本质和FDM一样,在光纤上复用信号。按照不同的波长,干线分成了若干份,承载不同用户的光信号, 到了终点,分离器分离出不同波长的光信号,当相邻波长间隔非常接近,子信道的数量非常大,WDM就变成了了DWDM(密集波分多路电路)
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3.4 时分多路复用电路(TDM)

在时间上共享信道,将时间划分为非常短的时间片,用户周期性的在自己的时间片内使用整个带宽。TDM广泛用于电话系统和蜂窝系统。
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各用户需要的带宽不均衡,而TDM用户时间片的使用却是一样的,将造成信道的浪费,不高效,所以为了提高信道的利用率,便有了统计时分多路复用电路(STDM)

3.5 统计时分多路复用电路(STDM)

动态分配信道,不使用信道的用户不分配,分给有需要的用户使用,利用率提高2~4倍。通常只在高速远程通信中使用如ATM,不适用用于用户平均使用信道的情况。

3.6 码分多路复用技术(CDMA)

完全不同于FDM和TDM的技术,它是一种扩频技术。
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CDMA允许每个站利用整个频段发送信号,而且没有任何时间限制。
CDMA的关键在于能够提取出需要的信号,同时拒绝其他的信号,并把其他的信号当做噪声。
CDMA中,每个比特时间被细分为m个更短的时间间隔,这更短的时间间隔被称为码片。通常每个比特被分为64个或128个。

举例 m = 4

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在干线起点,系统会把这三个信号进行线性的叠加,产生了一个复用信号(0,-2,+2,0),为了知道某个站发送了什么,接收方必须知道发送方的码片序列,只要计算复用信号和码片序列的归一化内积,我么就知道他发送了什么。

码片序两两正交,所以他能同时传输。CDMA广泛用于3G通信。

计算机网络——物理层(二)

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