一、物理层

计算机网络-物理层

一、物理层

1、基本介绍

核心：

• 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。

2、作用

物理层的目标 / 任务：

1. 通过连接传输媒体在不同计算机上传输数据比特流，进行双方的通信
2. 为上层的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。

物理层协议任务的要求和什么有关：

物理层的任务和对应的四大特性相关：

• 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

3、详细

3.1 传输媒体和传输方式

导引型传输媒体：有摸得到的实物进行传导信号的方式

• 同轴电缆：电缆各层都是同轴心的，因此称同轴电缆 -（同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便）
  1. 基带同轴电缆(50Ω )：数字传输，过去用于局域网
  2. 宽带同轴电缆(75Ω)：模拟传输，目前主要用于有线电视
• 双绞线电缆：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起来就构成了双绞线，这是一种古老且常用的传输媒体
  1. 无屏蔽双绞线UTP电缆：①抵御部分来自外界的电磁波干扰 ②减少相邻导线的电磁干扰
  2. 屏蔽双绞线STP电缆，其与UTP相比增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰能力
• 光纤/光缆：通过光的反射进行传播，光纤很细，因此必须将其做成结实的光缆。一根光缆少则一根光纤，多则可包括数百根

非导引型传输媒体：传导信号的东西摸不到

• 无线电波：低频和中频频段用地面波传播；高频和甚高频靠电离层(地球上方100~500千米高空的带电离子层)反射
• 微波：微波会穿透电离层进入宇宙，因此其不能通过电离层反射到很远的地方
  • 地面微波接力通信：微波是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此传播距离受到限制，一般只有50KM左右；如果采用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，必须在一个微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一阵送来的信号经过放大后再发送到下一站
• 红外线：点对点无线传输、直线传播，中间不能有障碍物，传输距离短、传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)
• 可见光：即光源作为信号源，前景好，暂时未被大范围应用

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串行/并行传输：

• 串行传输：是指数据是1个比特1个比特依次发送的，发送端与接收端之间只用1条数据传输线即可（数据在传输线路上是串行传输）。
• 并行传输：是指一次发送n个比特而不是一个比特，在发送端和接收端之间要有n条传输线路（计算机内部【如CPU和内存】数据传输方式是并行传输）。

异步/同步传输：

• 同步传输：数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻(有区分0,1的标志)进行检测，以判别接收到的是比特0还是1。
  • 由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能完全相同，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双方的时钟保持同步
    • 收发双方时钟同步方法：
      • 外同步：在收发双方之间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(如曼彻斯特编码)
• 异步传输：以字节为独立的传输单位，字节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，为此通常传送前要在每个字节前后加上起始位和结束位。
  • 异步是指字节之间异步(即传输的每个字节之间的时间间隔不固定)，但是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)

单工/半双工/全双工：

• 单工通信：通信双方只有一个数据传输方向(无线电广播)
• 半双工通信：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行(对讲机)
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收消息(电话)单工需要一条信道；其他的需要两条(一个方向一条)

3.2 编码与调制

介绍：

• 消息：包括文字、图片、音频和视频
• 数据：是运送消息的实体，计算机中的网卡将比特1和0变换成相应电信号发送到网线，即信号。
• 信号：是数据的电磁表现，由信源(网卡)发出的原始电信号称为基带信号，信号通过信道传输
  • 数字基带信号：CPU和内存传输的信号
  • 模拟基带信号：麦克风收到声音后转变的电信号
    • 码元：构成信号的一种波形
• 总结：物理层传输的比特流0/1，但是实际传输还是通过信号传输，信号可以为电/光，编码则是进行转换，将数据通过这种方式的编码转换为0/1.

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编码方式：不归零编码、归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

• 不归零编码：正电平代表比特1，负电平代表比特0。在整个码元时间内，电平不会出现零电平。
  • 问题：这种编码方式如何区分连续几个相同电平呢？
    • 通过发送方发送和接收方接收严格同步，并使用额外一根传输线来传输时钟信号，进行同步。
• 归零编码：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。
  • 问题：归零编码把时钟信号用"归零"方式编码在了数据之内，这称为"自同步"信号
    • 归零编码中的大部分数据带宽都用来传输"归零"而浪费掉了(编码效率低)
• 曼彻斯特编码：码元的中间时刻既表示时钟，又表示数据。根据正负跳变来区分比特
  • 问题：具体如何根据跳变实现同步？
    • 第一次数据跳变的时间记录下来【即半个码元的时间】，此后每过一个码元的时间就进行检测，根据跳变方向决定数据为0还是1。
• 差分曼彻斯特编码：跳变仅表示时钟 、码元开始处电平是否发生变化表示数据，以两码元的临界点区分是否发生变化。
  • 比曼彻斯特变化少，更适合较高的传输速率

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如果需要将信号在模拟信道传输，使用调制方式，调制方式为：

• 基本调制：一个码元对应一个比特，调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）
• 混合调制：一个码元对应多个比特，QAM-16（可以调制出16种码元(波形)）

3.3 拓展

信号的极限容量：计算信道传输的速率（极限、实际）

• 影响因素：码元传输速率（频率带宽）、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量

• 奈式准则、香农公式

  • 混合调制-码元和比特的关系：每个码元可携带的比特数量为log_2_码元数量：

  • 不管采用何种调制技术，对于解题，我们只关心可以调制出不同基本波形（码元）的数量，设为X;
    则每个码元可携带的比特数量为og2X;

    • 数据传输速率（比特/秒）=码元传输速率(码元/秒) * 每个码元可携带的比特数量(波特率)（比特/码元）
      =码元传输速率(码元/秒) * 1og2X(比特/码元)

  • $$奈式准则：理想低通道的最高码元传输速率=2WBaud=2W（码元/秒）$$

  • $$奈式准则：理想带通道的最高码元传输速率=WBaud=W（码元/秒）$$

  • $$香农公式：c=W\ast lo{g}_2(1+S/N)(比特/秒)--信噪比=10\ast lo{g}_{1}0(S/N)()$$