计算机网络入门基础篇——物理层

参考视频教程：计算机网络微课堂.

一、物理层的基本概念

二、物理层下的传输媒体

一般分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

1.导引型传输媒体

上面写到了光纤，我们看一下光在光纤中的传播原理：
我们看一下光纤的结构：

在发送端，可以把发光二极管和半导体激光器作为光源。在接收端，可以选用光电二极管和激光检波器检测光脉冲。

上述场景反复进行，光也就传播了下去：

实际上。只要从纤芯中射到纤越表面的光线的入射角大于某一个临界角度,
光就可以实现全反射，因此。可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。

由于传播会有损耗，所以就有下图的场景：

如果光纤的直径减少到只有一个光的波长，则光线就像一根波导一样，他会使光单向传播，不会发生全反射，这个称为单模光纤：

下面再看一下电力线作为媒介。
应用电力线传输信的实例最早是电力线电话。但是对于高性能家庭局域网，电力线是远远不够的：

我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。我们来看一下电磁波的频谱：

2.非导引型传输媒体

无线电波中的低频和中频频段，利用地面波传播。而高频和甚高频频段主要是靠电离层的反射。

下面来看一下微波通信：
微波在空间主要是直线传播，由于微波会穿透电离层进入宇宙空间。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，而地球表面是一个曲面，因此传播会受到限制，一般只能传播50公里左右。我们可以使用100米高的天线塔，是传播距离达到100公里。为实现远距离通信，必须在这些微波通信信道的两个终端之间建立者干个中继站。中继站把前一站接收到的信号放大后再传给下一站。

接下来的红外通信，笔记本电脑基本已经淘汰此技术，但是很多智能手机和遥控器仍然具有。

下面是无线电频谱管理机构：

三、传输方式

1.串行传输和并行传输

串行传输是指数据是依次一个比特一个比特发送的，因此在发送端和传输段之间，只需要一条数据线路即可。
并行传输是指一次发送n个比特，因此发送端和传输端之间需要有n个传输线路。
并行传输的速度是串行传输的n倍，但是成本也随之增高。

在计算机网络中，数据在线路上的传输是串行传输。而计算机内部数据的传输，常采用并行传输。比如CPU与内存之间，通过总线进行数据传输，常见的数据总线宽度有8位，16位，32位，64位。

2.同步传输和异步传输

同步传输中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导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定差异，不可能做到完全相同，在传输大量的数据时，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位，因此，需要采取方法使收发双方的时钟保持同步。
实现收发双方时钟同步的方法主要有两种。
一种是外同步，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。
另一种是内同步，也就是发送端将时钟同步信导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。

采用异步传输方式时，以字节为独立的传输单位。

字节间接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上起始位和结束位。

3.单工，半双工，全双工

单工通信

通信双方只有一个传输方向，比如无线电广播就是采用这种方式。

半双工

通信双方可以相互传输数据。但不能同时进行，比如对讲机就是这种类型。

全双工

通信双方可以同时通信并接收信息，比如电话就是这种类型。

四、编码与调制

1.编码

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字，图片，音频和视频。他们可以统称为消息，计算机只能识别二进制数据，传输过程中，数据的电磁表现称为信号，由信源发出的原始信号称为基带信号。

1.基带信号又分为两种，一种是数字基带信号，一种是模拟基带信号。信号需要在信道中进行传输，信道可以分为数字信道和模拟信道。

2.在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，成为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。

3.把数字基带信号的频率范围搬移到较高频段，并转换为模拟信号，成为调制，调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。

严格来说，传输媒体和信道不能直接划等号。
对于单工传输，传输媒体只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接受信道。
对于半双工和全双工，传输媒体中要包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接受信道。
如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。在计算机网络中，常见的是将数字基带信号，通过编码或者调制，在相应信道进行传输。

下面介绍常用编码：

那么计算机是怎么判断接收端接受了几个码元呢？

1.这需要发送方的发送与接收方的接受做到严格的同步，这就需要额外一根传输线来传输时钟信号。
2.接收方按时钟信号的节拍来逐个接受码元，然后对于计算机网络，宁愿利用这个传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。
3.由于不归零编码存在同步问题，计算机里的网络传输不用这种编码。

看一下归零编码：

下面是曼彻斯特编码：

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。例如负跳变表示比特1，正跳变表示比特0，码元中间时刻的跳变，即表示时钟，又表示数据。

再看一下差分曼彻斯特编码：

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变，跳变仅仅表示时钟，而用码元开始处电平是否发生变化表示数据。依据码元开始处电平是否发生变化来表示比特0或比特1。

例题：

2.基本调制方法

如何使一个码元包含更多比特？可以选择混合调制方法


下面看一下QAM-16：
包含12种相位，每种相位有1或22种振幅可选。

五、信道的极限容量

下图是一个数字信号，当通过信道的时候，可能会有一定的失真，轻的可以还原识别，重的可以严重失真，无法识别。

1.奈氏准则

2.香农公式

3.例题

后续

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