【计算机网络】物理层（超多图详析）

前言

上一期我们已经完成了计算机网络——总览，知道了一些计算机网络的基础内容，如果你漏掉了，建议你先去看看上一期。

传送门：【计算机网络】计算机网络总览（超多图）

接下来我们正式开始学习原理体系结构中的第一层——物理层。

物理层的基本概念

之前我们学习的原理体系结构中，一共分为五层。接下来我们就来一起学习原理体系结构中的物理层。

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

对于物理层有很多很多的协议，不过都不怎么重要，对于物理层我们知道物理层协议的主要任务即可。

物理层协议的主要任务

（1）机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置。
（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）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。
（4）过程特征：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层下面的传输媒体

传输媒体一共分为两大类：引导型传输媒体和非引导性传输媒体。

引导型传输媒体

引导性传输媒体有：同轴电缆，双绞线，光纤，电力线。

非引导型传输媒体

非引导性传输媒体有：无线电波，微波，红外线，可见光。

这部分内容不是那么重要，大家了解一下即可。

传输方式

数据传输方式（data transmission mode）：是数据在信道上传送所采取的方式。若按数据传输的顺序可以分为并行传输和串行传输；若按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；若按数据传输的流向和时间关系可以分为单工、半双工和全双工数据传输。

并行传输

并行传输：是将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输。

例如：采用8单位代码字符可以用8条信道并行传输，一条信道一次传送一个字符。因此不需另外措施就实现了收发双方的字符同步。缺点是传输信道多，设备复杂，成本较高，故较少采用。

串行传输

串行传输：是数据流以串行方式在一条信道上传输。

该方法易于实现。缺点是要解决收、发双方码组或字符的同步，需外加同步措施。

因为串行传输比较容易实现，而且成本低所以串行传输采用较多。

根据串行传输与并行传输的特点，在远距离传输的时候我们一般使用串行传输，在设备零件（比如：CPU与内存条之间）上一般使用并行传输。

在串行传输时，接收端如何从串行数据流中正确地划分出发送的一个个字符所采取的措施称为字符同步。根据实现字符同步方式不同，数据传输有异步传输和同步传输两种方式。

同步传输

同步传输：是以固定时钟节拍来发送数据信号的。

在串行数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的，接收端要从收到的数据流中正确区分发送的字符，必须建立同步。

收发双方时钟同步的方法：

（1）外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
（2）内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如：曼彻斯特编码）。

异步传输

异步传输：每次传送一个字符代码（5～8bit），在发送每一个字符代码的前面均加上一个“起”信号，后面均加一个止信号。

要注意的是：

（1）字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
（2）字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）

单向通信

单工数据传输：是两数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。

双向交替通信

半双工数据传输：是两数据站之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。

双向同时通信

全双工数据传输：是在两数据站之间，可以在两个方向上同时进行传输

编码与调制

我们先来看一下计算机传输一个消息（文字，图片，音频，视频）的过程：

我们要传输数据，但数据是不能直接传输的，必须转换成信号，即我们用信号来表示数据。

信号怎么来表示数据呢？

这就用到了我们的编码与调制

编码：用数字信号承载数字或模拟数据
调制：用模拟信号承载数字或模拟数据

先介绍一个基本概念码元：

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

可见码元一般有两种，分别代表比特0与1，来表示数据。

常用编码

不归零编码

如图可见不归零编码就是只有正电平与负电平。

但是问题来了，如果电平不进行跳转我们怎么判断一个码元的长度呢？

这时候我们就需要添加额外的一根传输线来传输时钟信号，是发送和接受双方来实现同步。

但是这样会加大成本开销的，对于计算机网络，我们宁愿利用这条线来传送数据而不是传输时钟。

归零编码

归零编码较不归零编码就添加了一个零编码。

对于归零编码我们要注意的是：

（1）每个码元传输结束之后都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
（2）实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。
（3）缺点是：归零编码中的大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码，我们是根据码元中间的跳转来判断比特0与1的。

由图易知：码元中间时刻的跳转即表示数据，又表示时钟。

差分曼彻斯特编码

在差分曼彻斯特编码中：

（1）跳转仅表示时钟。
（2）码元开始处电平是否发生变化表示数据。

差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

常见调制方法

基本调制

基本调制方法有：调幅（AM），调频（FM），调相（PM）。

A是振幅，F是频率，P是相位，M是调制的意思。

如图：

从图我们很直观的就可以看到：如果使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。

如何让能使1个码元包含更多的比特呢？

我们可以采用混合调制的方法。

混合调制

缓和调制就是一次来调制频率，相位，振幅中的多个因素。

但是又因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。随意只能调制频率和相位中的一个。

通常情况下，相位和振幅可以合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

QAM-16：

（1）12种相位。
（2）每种相位有1或2种振幅可选。

这里要注意每个码元代表4个比特。而且码元与4个比特的对应关系采用格雷码（相邻的码元只能由一个比特不同）。

信道的极限容量

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，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

失真因素

（1）码元传输速率
（2）信号传输距离
（3）噪音干扰
（4）传输媒体质量

那么具体这些因素是怎么来影响的呢？

奈式准则

奈失准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

1. 理想低信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒。
2. 理想带通信的最高码元传输速率 = W Buad = W 码元/秒。

W：信道带宽（单位：Hz） Band：波特，即码元/秒

码元传输速率又称为波特率，调制速率，波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：

（1）当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在树枝上是相等的。
（2）当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换为比特率时，是指就要乘以n。

要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多比特的信息量。这需要采用多元制。

实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

香农公式

香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率为：
$$c=W\ast log2(1+S/N)$$

c：信道的极限信息传输速率（单位：b/s）
W：信道带宽（单位：Hz）
S：信道内所传信息的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位

信道带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

在实际信道上能达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如信号在传输中的衰弱和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。

结语

以上就是物理层的全部内容了，部分内容有点难度了，大家重点要理解基础的知识并且加以记忆。坚持以往，一定会有所成效的。

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