第二章-计算机网络物理层

计算机网络

第一章-计算机网络概述
当前第二章

大家好，我是秋意临。

为了应付下学期的计网期末考试，因此5天在B站学习的计算机网络，在这里自己理解一遍以及梳理成博客供大家参考学习。

在这里特别感谢B站UP主湖科大教书匠，地址我写在了最后，感兴趣直达。

记得收藏+关注免得迷了路。

欢迎加入云社区

一、物理层

1.1、物理层的基本概念

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。

物理层协议主要任务：

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围及阻抗匹配。
• 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、数据通信的基本知识

这个例子是：两台PC经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

一个数据通信系统可以划分为三个部分：源系统（或发送端）、传输系统（或传输网络）、目的系统（接收端）

源系统包含两部分：

• 源点：源点设备产生要传输的数据，如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的比特流，这就是源点也称为源站或信源。
• 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能狗再传输系统中传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC中内置调制解调器。

目的系统包含两个部分：

• 接收器：接收传输系统传送过来的数据，并把它转换为目的设备能处理的信息。典型的接收器就是解调器，还原出源点产生的数字比特流。
• 终点：终点设备接收 接收器传来的数字比特流，然后进行信息输出，如，把汉字再PC屏幕上显示出来。终点又称为目的站或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线路，也可以是复杂的网络系统。

通信的目的是：传送消息，例如，语言、文字、图像等。数据是运送消息的实体，信号是数据的电气或电磁表现。

信号可分为两类：（根据信号中代表消息的参数的取值方式不同）

• 模拟信号 或 连续信号：消息的参数的取值是连续的，例如，正弦波。
• 数字信号 或 离散信号：消息的参数的取值是离散的，例如，矩形波。

编码与调制

要利用信道传输数据，必须将数据转换为能在传输媒体上传送的信号。

信道可以分为两类：

• 模拟信道：传送模拟信号
• 数字信道：传送数字信号

编码：将数字数据转换为数字信号的过程
调制：将数字数据转换为模拟信号的过程

编码

数字信号的常用编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：为周期中心的上跳变代表0，下跳变代表1（0代表从低到高，1代表从高到低）。
非曼彻斯特编码：每一位的中心处都有跳变。波形图1代表没有跳变（也就是说上一个波形图在高现在继续在高开始，上一波形图在低继续在低开始），开始画0代表有跳变（也就是说上一个波形图在高位现在必须改在低开始，上一波形图在高位必须改在从低开始）。

注意：第一个是0的从低到高，第一个是1的从高到低（差分曼彻斯特编码）

调制

矩形脉冲波的数字信号包含从直流开始的低频分量，称为基带信号（基本频带信号），在数字信道上直接传输基带信号的方法称为基带传输。

基带信号往往包含较多的低频成分，甚至直流成分，而许多模拟信道仅能通过某一频率范围的信号，不能直接传输这种基带信号，因此必须对基带信号进行调制，使它能够在模拟信道中传输。

在很多情况下，需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便其在信道中传输，这种传输方法称为频带传输。经过载波调制后的信号称为频带信号或带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。

三种带通调制方法：

调幅：载波的振幅随基带数字信号而改变。例如，0和1分别对应于无载波输出和有载波输出。
调频：载波的频率随基带数字信号而改变。例如，0和1分别对应于频率f1和频率f2。
调相：载波的初始相位随基带数字信号而改变。例如，0和1分别对应于相位0°和相位180°。

在数字通信中，调幅、调频、调相 相应的称为幅移键控、频移键控、相移键控。 实现调制和解调功能的设备称为调制解调器。

混合调制

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。 如何能使1个码元包含更多的比特呢？

可以采用混合调制的方法？‍​‍因为频率和相位是相关的，也就是说频率是相位随时间的变化率，所以‍​‍一次只能调至频率和相位两个中的一个

通常情况下，‍​‍相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM‍​‍。

信道的极限容量

我们都知道信号在传输过程中会受到各种因素的影响，如图所示这是一个数字信号，‍‍当它通过实际的信道后，波形会产生失真，当失真不严重时，在输出端‍‍还可根据以失真的波形还原出发送的码元，但当失真严重时，在输出端‍‍就很难判断这个信号‍‍在什么时候是1和在什么时候是0。信号波形失去了码元之间的清晰界限，‍‍这种现象叫做码间串扰。‍‍

传输方式

数字传输有各种不同的传输方式，例如，串行传输和并行传输、同步传输和异步传输，以及单工通信、半双工通信和全双工通信。

串行传输和并行传输

• 串行传输：指数据是一个比特一个比特依次发送的，因此，发送端和接收端之间只需要一条传输线路。
• 并行传输：指一次发送n个比特而不是一个比特，因此，发送端和就收端需要n条传输线路。

同步传输和异步传输

同步传输：采用同步传输方式，‍​‍数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔，‍​‍接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。‍​‍由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，‍​‍在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累积误差，会导致接收端‍​‍对比特信号的判别错位。

因此需要采取方法是收发双方的时装保持同步，‍​‍实现收发双方时钟同步的方法主要有两种：

• 外同步，也就是在收发双方之间‍​‍添加一条单独的时钟信号线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号，‍​‍接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
• 内同步，‍​‍也就是发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输。‍​‍例如‍​‍传统以太网所采用的就是曼彻斯特编码。

异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，‍​‍接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此通常要在每个字节前后‍‍分别加上起始位和结束位，这里异步是指字节之间异步，‍‍也就是字节之间的时间间隔不固定，但字节中的每个比特仍然要同步，‍‍也就是个比特的持续时间是相同的。

单工通信、半双工通信和全双工通信

• 单向通信：又称为单工通信，只能由一个方向的通信而没有反方向的交互（一条信道）。
• 双向交替通信：又称为半双工通信，通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，也不能同时接收（两条信道）。
• 双向同时通信：又称为全双工通信，通信的双方额可以同时发送和接收信息。

1.3、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质和传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可分为两大类：

• 导引型传输媒体：在传输媒体中，电磁波被导引沿着固态媒体（铜线或光纤）传播。

• 非导引型传输媒体：就是指自由空间。在传输媒体中，电磁波的传输，常称为无线传输。

导引型传输媒体

1.同轴电缆

同轴电缆比双绞线高很多的带宽和更好的抗干扰特性，现在的同轴电缆可以达到1GHz的带宽。

2.双绞线

双绞线也称为双扭线，它是最古老但又最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则绞合就构成了双绞线。

为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层金属屏蔽层，这就是屏蔽双绞线，价格比非屏蔽双绞线要贵。

通常我们说的几类双绞线，其实是绞合程度的不同。

3.光纤

光纤通信就是利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信。

有光脉冲相当于1，无光脉冲相当于0，由于可见光的频率非常高，约为10的5次方GHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。

发送端光源可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲的作用下能产生光脉冲；接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测出光脉冲时可以还原出电脉冲。

光纤通常由透明度很高的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层圆柱体。纤芯很细，其直径只有8~100微米（1微米 == 10的负6次方米），光波是通过纤芯进行传导的。

许多不同角度入射的光线在一条光纤中传播，称为多模光纤。

光脉冲在多模光纤中传输时会慢慢被展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离传输。

非导引型传输媒体

当通信距离很远时，建设缆线既昂贵又费时，利用电磁波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信，但其最大的缺点就是容易被干扰，保密性差。

1.无线电波

2.微波

微波通信在数据通信中占有重要地位，​频率范围为300MHz ~ 300GHz，也就是波长一米到一毫米，​但主要使用2GHz~40GHz的频率范围。​

微波在空间主要是直线传播，​由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此​它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式，​一种是地面微波接力通信，另一种是卫星通信。

由于微波在空间是直线传播的，​而地球表面是个曲面，​因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右，但若采用100米高的天线塔，​则传播距离可增大到100公里。​为实现远距离通信，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后，再发送到下一站。故称为接力，

​常用的卫星通信方法是在地球站之间，利用位于约36,000公里高空的人造同步地球卫星，​作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点是​通信距离远，相应的传播时延也比较大，一般在250~300毫秒之间。​除同步卫星外，​低轨道卫星通信系统已开始在空间部署，并构成了空间高速链路，

3.红外线和可见光

红外线和可见光（LIFI）不能绕过或穿透障碍物，在自由空间中主要采用直线传播。

利用红外线来传输数据，​相信大家并不陌生，很多家用电器，例如电视空调等都配套有红外遥控器，​以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信

红外通信属于点对点无线传输，​中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率也很低。现在笔记本电脑已经取消了红外接口，​但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视空调等家用电器进行红外遥控。​

4.可见光

1.4、互联网接入技术

第一章讲过，用户要连接到互联网，必须先连接到某个 ISP。接入技术解决的就是用户连接本地ISP “最后一公里” 的问题。

通常将用户设备连接到 ISP边缘路由器的物理链路及相关设备的集合称为接入网（AN）。

接入网的传输距离虽然不长，但是面对成千上万的住宅、机构、企业和移动用户的各种不同接入需求，涉及的用户数量巨大且接入方式非常复杂，因此接入网在网络投资中所占比重大，是各大运营商竞相争夺的巨大市场，接入技术也已成为当前网络技术研究、应用与产业发展的热点问题。

电话网拨号接入

电话网拨号接入这种方式通过拨号调制解调器，在用户计算机与电话网另一端的 ISP 接入路由器之间建立一条语音通信，如图所示：

数字用户线接入

ADSL的组成

光纤同轴混合网接入

HFC网的结构

我国HFC的频谱划分

光纤接入

无线接入

总结

我是秋意临，欢迎大家一键三连、加入云社区

我们下期再见(⊙o⊙)！！！

学习参考

https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click

https://www.peterjxl.com/Network/summary/

计算机网络教程-谢钧 谢希仁 编著（第6版）