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。

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：

• 多模光纤：纤芯较粗，光纤中可能有多种沿不同途径同时传播的模式。
• 单模光纤：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：

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