02-计算机网络 - 物理层

计算机网络 - 物理层

物理层基本概念

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。

该层次的主要任务是:确定传输媒体的接口的一些特性,包括:

  • 机械特性:接口的形状,大小,引线的数目
  • 电气特性:规定电压范围(-5V到+5V)
  • 功能特性:规定-5V代表0,+5V代表1
  • 过程特性:也称规程特性,规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

物理层的主要功能

1、 为数据端设备提供传送数据的通路

  • 为数据端设备提供传送数据的通路:数据通路可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输,包括激活物理连接,传送数据,终止物理连接。所谓激活,就是不管有多少物理媒体参与,都要在通信的两个数据终端设备间连接起来,形成一条通路。

2、传输数据

  • 传输数据:物理层要形成适合数据传输需要的实体,为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过,二是要提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(bit)数),以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点,一点到多点,串行或并行,半双工或全双工,同步或异步传输的需要。

3、完成物理层的一些管理工作
注:数据在计算机中多采用并行传输方式。但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输(这是出于经济上的考虑),即逐个比特按时间顺序传输。因此,物理层还要完成传输方式的转换。

通信方式

根据信息在传输线上的传送方向,分为以下三种通信方式:

  • 单工通信:单向传输
  • 半双工通信:双向交替传输
  • 全双工通信:双向同时传输

信号

  • 基带信号:基本频带信号,指来自信源的信号,直接表达了要传输的信息。
  • 带通信号:将基带信号通过调制后的信号,方便在信道中传输。

带通调制

调制方法
将基带信号调制成带通信号的几种方法:(针对于远程传输模拟信号来说)

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

模拟信号是连续的信号,数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。
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物理层要解决的主要问题:

  • 物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体,通信手段的不同,使数据链路层感觉不到这些差异,只考虑完成本层的协议和服务。
  • 给其服务用户(数据链路层)在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流(一般为串行按顺序传输的比特流)的能力,为此,物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
  • 在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。

传输介质

双绞线
  • 最常用的传输介质。
  • 由两条相互绝缘的铜导线组成,两条线扭绞在一起,可以减少对邻近线对的干扰。
  • 由若干对双绞线构成的电缆称为双绞线电缆。
  • 可用于模拟传输,也可用于数据传输
  • 非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)(有3类和5类)、屏蔽双绞线(STP
  • 对电磁干扰较敏感,也不能支持非常高速的数据传输。
同轴电缆

抗干扰性好,较高带宽。内外导体同轴,均采用铜质材料。
基带同轴电缆

  • 50欧姆,用于数字数据传输,如计算机局域网,在局域网发展初期广泛使用
  • 带宽取决于电缆长度
    宽带同轴电缆
  • 75欧姆,用于模拟传输
  • Cable TV技术,300MHz或450MHz,高达900MHz
  • 主要用于有线电视网的居民小区中
光纤

光导纤维材料(纤芯,包层,外套),一根光缆中可含多根光纤。
纤芯的折射率高于包层,当光线在纤芯上的入射角大于临界值时会发生全反射现象。
光传输系统的组成

  • 光纤传输介质、光源、检测器。
  • 光源:
    发光二极管或激光二极管,通电时都发出光脉冲。
  • 检测器:
    光电二极管,遇光时,产生一个电脉冲。
    用光脉冲的出现表示“1”,不出现表示“0”。
    目前,在试验室中光纤带宽超过50Tbps;实用光纤100 Gbps。

光纤分类

  • 模光纤:纤芯较粗,光纤中可能有多种沿不同途径同时传播的模式。
  • 模光纤:将纤芯直径减小到光波波长大小的时候,光在光纤中的传输没有反射,而沿直线传播。

单模光纤和多模光纤的对比:
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参考文献:
[1]《计算机网络(第5版)》谢希仁——第二章 2.1
[2] 百度搜索关键字:物理层的主要功能

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