计算机网络（二）：物理层

参考引用

• 计算机网络微课堂-湖科大教书匠
• 计算机网络（第7版）-谢希仁

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比特流
• 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

1.1 物理层协议的主要任务

• 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
• 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

2. 物理层下面的传输媒体

2.1 导引型传输媒体

• 1、同轴电缆
  • 基带同轴电缆 (50Ω)：数字传输，过去用于局域网
  • 宽带同轴电缆 (75Ω)：模拟传输，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体

• 2、双绞线
  

• 3、光纤

  • 纤芯直径
    • 多模光纤：50 微米，62.5 微米
    • 单模光纤：9 微米
  • 工作波长
    • 0.85 微米 (衰减较大)
    • 1.30 微米 (衰减较小)
    • 1.55 微米 (衰减较小)
  • 光纤的优点
    • 通信容量大 (25000~30000GHz的带宽)
    • 传输损耗小，远距离传输时更加经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
    • 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
    • 体积小，重量轻
  • 光纤的缺点
    • 割接需要专用设备
    • 光电接口价格较贵
      

• 4、电力线
  

2.2 非导引型传输媒体

• 电信领域使用的电磁波的频谱
  

• 1、无线电波
  

• 2、微波

  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信
    

• 3、红外线

  • 点对点无线传输
  • 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
  • 传输速率低（4Mb/s ~ 16Mb/s）

• 4、可见光

  • 可见光无线通信又称 “光保真技术”，英文名 Light Fidelity（简称 LiFi）是一种利用可见光波谱 (如灯泡发出的光) 进行数据传输的全新无线传输技术

• 无线电频谱管理机构

  • 中国：工业和信息化部无线电管理局(国家无线电办公室)
  • 美国：联邦通讯委员会 FCC
  • ISM (Industrial,Scientific,Medical) 频段

3. 传输方式

3.1 串行传输和并行传输

3.2 同步传输和异步传输

• 同步传输
  • 收发双方时钟同步的方法
    • 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
    • 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输 (例如曼彻斯特编码)

• 异步传输
  • 字节之间异步 (字节之间的时间间隔不固定)
  • 字节中的每个比特仍然要同步 (各比特的持续时间是相同的)

3.3 单向通信(单工)、双向交替通信(半双工)、双向同时通信(全双工)

• 单向通信 (单工)
  • 如：无线电、广播通信
• 双向交替通信 (半双工)
  • 如：对讲机
• 双向同时通信(全双工)
  • 如：手机
    

4. 编码与调制

4.1 常用编码

• 不归零编码（存在同步问题，不采用）

  • 需要额外一根传输线来传输时钟信号使发送方和接收方同步
  • 对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号

• 归零编码（编码效率低）

  • 每个码元传输结束后信号都要 “归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号
  • 归零编码相当于把时钟信号用 “归零” 方式编码在数据之内，这称为 “自同步” 信号。但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输 “归零” 而浪费掉了

• 曼彻斯特编码（传统以太网 10 Mb/s）

  • 码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据

• 差分曼彻斯特编码（变化少，适合高传输速率）

  • 跳变仅表示时钟
  • 码元开始处电平是否发生变化表示数据

4.2 基本调制方法

• 使用基本调制方法，1 个码元只能包含 1 个比特信息
  

• 要使 1 个码元包含多个比特信息，可以采用混合调制方法

  • 频率和相位
    • 因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个
  • 相位和振幅
    • 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

5. 信道的极限容量

5.1 信号失真因素

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

5.2 奈氏准则

5.3 香农公式