《计算机网络》第二章 物理层笔记（上）

2.1 物理层概念

2.1.1 物理层的基本概念

1. 物理层定义

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（第0层，物理层的 下层，有接口提供给物理层）。

2. 物理层主要任务

确定与传输媒体接口 有关的一些特定——>定义标准

大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可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和通信手段使什么。

3. 物理层特性

（1）机械特性

定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。

（2）电气特性

规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围 、阻抗匹配、传输速率 和距离限制等。

例如：某网络在物理层规定，信号的电平用+10V_{+15V表示二进制0，用-10V}-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内。

（3）功能特性

指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。

（4）规程特性

（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2.1.2 数据通信基础知识

1. 典型的数据通信模型

2. 数据通信相关术语

• 信道：逻辑通路。
• 传输介质：物理通路。

3. 三种通信方式

通信方式：通过确定通信方式来确定谁是发送方谁是接收方

4. 串行传输和并行传输

数据的传输方式：在发送方发送数据的时候，数据在信道上的传输方式

5. 同步传输和异步传输

什么是并行传输、串行传输、异步传输？
串口传输数据原理
同步传输和异步传输的区别

2.1.3 码元、波特、速率、带宽

1. 码元

2. 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

• 传播速率：指电磁波在信道中传播的速度，单位是“米每秒”，即m/s，更常用的是千米每秒（km/s）。电磁波在光线中的传播速率约为：$2\ast 10^{8}m/s$。
• 传输速率（发送速率）：是指主机或路由器向数字信道上发送数据的速度，也称为数据率或比特，单位是比特每秒，$bit/s$。

3. 带宽

2.1.4 奈氏准则和香农定理

1. 失真与码间串扰

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。

2. 奈氏准则

3. 香农定理

3. 区别

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。
这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.1.5 编码与调制

1. 基带信号与宽带信号

2.编码与调制

3. 常见的编码方式（数字转变为数字）

• 不归零制 ： 正电平为1，负电平代表0
• 归零制：正脉冲为1，负脉冲为0
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1
• 差分曼彻斯特编码 ：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

4. 基本的带通调制方法（数字转化为模拟）

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制

• 调幅（AM）即载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频（FM）即载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相（PM）即载波的初始相位随基带数字信号而变化

5. 模拟数据编码为数字信号

6. 模拟数据调制为模拟信号

7. 总结

2.2 物理层传输介质

2.2.1 传输介质以及分类

2.1.1 导向性传输介质

1. 双绞线

最常用的UTP是5类线（CAT5），5类线与3类线的最主要区别就是大大增加了每单位长度的校核次数，5类线的绞合度经过精心的设计（线对间的、线对内的导线），生产严格，使得干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了线路的传输速率

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增加，使用更粗的导线可以降低衰减，导线越粗，通信距离越远，但却增加了导线的重量和价格。双绞线最高频率还与数字信号的编码方法有很大关系

2. 同轴电缆

3. 光纤

（1） 定义

光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是$10^{8}MHz$，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲作用下能产生光脉冲；在接收端用光电二极管做出光检测器，在检测到光脉冲时可还原出点脉冲。

现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输数千公里而基本没有什么衰耗。这一点乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素。

（2）多模光纤和单模光纤

• 多模光纤：存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，适合近距离传输。
• 单模光纤：光纤的直径小到只有一个光的波长，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。衰耗较小，适合远距离传输。
  

（3）特点

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

4. 架明空线

在电线杆上架设的互相绝缘的明线。通信质量差，受气候环境等影响较大。

2.2.3. 非导向性传输介质

将自由空间称为“非导引型传输媒体”，无线传输可使用的频段很广（紫外线和更高的波段目前还不能用于通信）。

1. 短波通信

短波通信（即高频通信）主要使靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波通信的通信质量较差，一般低速传输，信号向所有方向传播。

2. 无线电磁波通信

微波通信的频率范围主要使用2~40GHz，微波在空间主要直线传播。微波会穿透电离层进入宇宙空间，不像短波那样经电离层反射传播地面上很远的地方。传统微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信，信号向固定方向传播。

（1） 地面微波接力通信

由于微波在空间是直线传播的，为了远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大再发送到下一站，称为“接力”。

优点：

1. 微波波段频率高，范围宽，通信信道的容量大。
2. 微波通信受干扰弱，通信稳定，传输质量较高。
3. 微波接力通信建设投资小，见效快，易于跨越山区、江河。

缺点：

1. 相邻站之间不能优障碍物。
2. 有时会受恶劣天气影响。
3. 中继站的使用和维护耗费较多人力和物力。

（2）卫星通信

利用人造同步卫星作为中继站的一种微波接力通信。处理上述特点，卫星通信还具有较大的传播时延。

3. 红外通信、激光通信

把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播，信号往固定方向传播。

2.3 物理层设备