【计算机网络——物理层】
文章目录
前言
一、通信基础
1.基本概念
1.数据信号与码元
2.信源信道与信宿
3.速率波特与宽带
2.编码与调制
4.电路交换、报文交换与分组交换
5.数据报与虚电路
二、传输介质
1.传输介质的分类
2.物理接口的特性
三、物理层设备
1.中继器
2.集线器（Hub）
总结
前言
物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是值具体的传输媒体，我们在这一部分需要了解通信基础、传输介质和物理层设备。
一、通信基础
1.基本概念
1.数据信号与码元
通信的目的是传送信息，数据是指传送信息的实体，而信号则是数据的电气或者电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式，数据和信号都可以用数字的和模拟的来表示。
- 模拟数据（信号）：连续变化的数据。
- 数字数据（信号）：取值仅允许为有限的几个离散数值的数据。
数据的传输方式可以分为串行传输和并行传输，串行传输是指一比特一比特地按照时间的顺序传输，并行传输是指若干比特通过多条通道同时传输。
码元是指用一个固定时长的信号波形表示一位k进制的数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度，一码元可以携带若干比特的信息量，例如在二进制编码中，只有两种不同的码元，一种代表0状态一种代表1状态。
2.信源信道与信宿
信源是产生和发生数据的源头，信宿是接受数据的终点，也就是信息的归宿，他们通常都是数字计算机或者其他终端装置，发送端信源发送的数据都必须通过变换器转换成为适合在信道上传输的信号，而通过信道传输到接受端的信号先由反转换器换成原始信息，再发送给信宿。
信道与电路并不相同，信道是信号的传输媒介，一个信道可以视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信号的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
信道按照传输信号形式的不同，可以分为传输数字信号的数字信道和传输模拟信号的模拟信道，按照传输介质的不同可以分为无线信道和有线信道。
信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分，基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上面传输，这种传输方式称为基带传输，宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上传输称为宽带传输。
从通信双方信息的交互方式上看，可分为三种基本方式：
- 单向通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道，例如无线电广播，电视广播就属于这种类型。
- 半双工通信：通信的双方都可以发送或者接受信息，但任何一方都不能同时发送和接受信息，此时需要两条信道。
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
3.速率波特与宽带
速率也称为数据率，指的是数据传送速率，表示单位时间内传输的数据量，可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
- 码元传输率：又称为波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。
- 信息传输速率：又称信息率，比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制的码元个数即比特数，单位是比特每秒。
- 带宽：单位时间内从网络的一点到另一点所能通过的“最高数据率”。
2.编码与调制
数据无论是数字的还是模拟的，为了传输速率都必须转变成信号，将数据变为模拟信号的过程称为调制，转变为数字信号的过程称为编码。
信号是数据的具体表示形式，它和数据有一定的关系，但是又和数据不同，数字数据可以通过数字发送器转换为信号传输，也可以通过模拟调制器转换成模拟信号传输，同样地模拟数据也可以通过编码器转换成为数字信号传输 ，也可以通过放大器调制器转换成为模拟信号传输，这样就形成了以下四种编码方式。
- 数字数据编码为数字信号：数字数据编码用于基带传输当中，也就是在基本不改变数据信号的频率的情况下，直接传输数字信号，具体用什么样的信号表示0和什么样的信号表示1就是所谓的编码，编码的原则有多种，只要能把0和1有效地分开即可，常用的数字数据编码有以下几种方式：（后文补充）
- 数字数据调制为模拟信号：在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，这其中通过改变波信号的振幅、相位、频率来表示信号1和信号0，具体过程不做过多的赘述。
- 模拟数据编码为数字信号：包括三个步骤采样、量化和编码，采样就是对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成离散的信号，使得离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据；量化也就是将采样取得的电频幅值按照一定的标准转换为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平值转换为离散的数字量，采样和量化实质上就是分割和转换；编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
- 模拟数据调制为模拟信号：使用频分复用技术
补充：
- 归零编码：用高电平代表1，低电平代表0，每个时钟周期的中间都跳变到低电平也就是归零，接收方根据跳变调整本方向的时钟基准，这也就为传输双方提供了同步机制，但是归零要占用一定的带宽，所以传输速率收到了一定的影响。
- 非归零编码：不需要归零，一个周期全部用来传输数据，但是无法传递时钟信号，双方难以同步，双方若想传送高速同步数据，则需要带有时钟栈。
- 反向归零编码：用信号的翻转戴白哦0、信号保持不变则代表1，翻转的信号本身可以作为一种通知机制，这种方式技能传输时钟信号又不会损失系统带宽。
- 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平的表示1，反之则表示0，每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变即作为时钟信号可用于同步，有作为数据信号。
- 差分曼彻斯特编码：一个码元的前半部分与上一个码元的后半部分电平相等则代表1，反之则代表0。
4.电路交换、报文交换与分组交换
1.电路交换：
在进行传输前两个结点之间必须先建立一条专用的双方独占的物理通信路径，这条路径是由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成，该条路径可能经过许多的中间结点，这个路径在整个数据传输期间被独占，知道通信结束以后才会被释放，因此电路交换技术被分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。
电路建立以后，除了源节点和目的结点以外，电路上的任何结点都采用直通方式接受数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间。
2.报文交换
数据交换的单位是报文，报文携带又目的地址，源地址等信息，报文交换在交换节点采用的是存储转发的方式，就是在结点开辟一个缓冲区，等一个数据的所有报文都到达缓冲区以后再开始向下一个结点转发，优点如下：
- 无需建立连接
- 动态分配线路
- 提高线路可靠性
- 提高线路利用率
- 提供多目标服务
缺点如下：
- 由于数据进入结点以后要经过存储和转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接受报文、检验正确性、排队、发送时间等）。
- 报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。
3.分组交换
同报文交换一样，分组交换也采用存储转发的方式，但是相比于报文交换分组交换解决了报文交换中大报文传输的问题，分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息构成分组，网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点收到分组以后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组送到下一个结点，下一个结点收到分组以后暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择他的下一个结点，直到到达目的地。
分组交换的优点如下：
- 无需建立关系
- 线路利用率高
- 简化了存储管理
- 加速传输
- 减少了出错的概率和重发数据量
分组交换的缺点：
- 存在传输时延
- 需要传输额外的信息量
- 可能出现失序，丢失或者重复分组的情况
5.数据报与虚电路
分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可以进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式，注意这是分组交换的两种方式。
1.数据报：
作为通信子网用户的端系统发送一个报文的时候，在端系统中实现的高层协议先把报文拆分成带有序号的数据单元，并且再网络层上加上地址等控制信息后形成数据报分组，中间结点存储分组很短的一段时间以后，找到最佳的路径并且尽快转发给每个分组，每个分组可以走不同的路径，按照不同的顺序到达目的结点。
当分组正在某一链路上传送时，分组并不占用网络的其他部分资源，因为采用存储转发技术，资源时共享的，所以主机A再向B发送分组时，主机B也可以向其他主机发送分组，通过以上的例子可以总结出数据报服务的以下特点：
- 发送分组以前不需要建立连接，发送方可以随时发送分组，网络中的结点可以随时接受分组。
- 网络尽最大的努力交付，传输不保证可靠性所以可能丢失，由于为每个分组选组的路径不同所以无法保证分组按序到达。
- 发送的分组要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。
- 分组在交换结点存储转发的时候，需要排队等候处理，这回带来一定的时延，通过交换结点的通信量较大或发生网络阻塞时，这种延时会大大增加，交换节点还可以根据情况丢弃部分分组。
- 网络具有冗余路径，当某个交换节点或者一条链路出现故障时，可相应地更新转发表（转发表是一种具有映射关系的表单，从源地址映射到目的地址，知道分组的去向），寻找另外一条路径，对故障的适应能力强。
- 存储转发的时延一般较小，提高了网络的吞吐量
- 收发双方不独占某条链路，资源利用率较高。
2.虚电路
虚电路方式试图将数据包方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方式的优点，以便达到最佳的数据交换的效果，在分组发送之前，要求在收发双方建立起一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径，与电路交换方式类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。
在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未使用过的虚电路号分配给虚电路，以区别于本系统中的其他电路，在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号，校验和等控制信息，还要有他的虚电路号，以区别于其他需电路上的分组，每个结点都维持有一张虚电路表，表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息，这些信息实在虚电路建立过程中就确定了。
虚电路的工作方式如下文所示：
- 为进行数据传输，两个主机之间先建立一张逻辑通路，主机A发出了一个特殊的“呼叫请求”的分组，该分组通过中间结点送往B，主机B同意连接，则发送“呼叫应答”分组予以确认。
- 虚电路建立以后，主机A就可以向主机B发送数据分组，主机B也可以向主机A发送数据分组。
- 传送结束以后主机A通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接。
我们可以总结出虚电路通信有以下一个特点：
- 虚电路链路的连接和拆除都需要时间开销，对于交互式引用和小量的短分组情况显得很是浪费，但对于长时间、频繁的数据交换效率很高。
- 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组有序地到达，因为线路是固定的，，此外还可以对两个数据端点进行流量控制，当接受方来不及接受分组的时候可以发送通知发送方暂缓发送数据。
- 需电路的路由选择体现在了虚电路的简建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
- 虚电路有一个致命的弱点，即当网络中的某个结点或某条链路出现故障的时候，所有经历过该结点或者该链路的虚电路将遭到破坏。
- 分组的首部不需要包含目的地址，包含的是虚电路的标识符，相对于数据包方式，开销更小。
二、传输介质
1.传输介质的分类
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
- 无线传输介质
2.物理接口的特性
物理层要研究的时如何在各类传输媒体上传输比特流，而不是传输媒体本身，网络中的硬件设备和传输介质种类繁多，通信方式也各不相同，物理层应该尽可能屏蔽这些差异，让数据链路层感受不到这些差异。
物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
- 机械特性：指明接口所用接线器的尺寸形状
- 电气特性：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：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
三、物理层设备
1.中继器
他的主要功能就是将信号整形放大并且再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离，其原理就是信号再生，中继器有两个端口，数据从一个端口进，从一个端口出，端口仅作用于电气部分，不管是否有错误或者不适用于网络的数据。
中继器使用来扩大网络规模的最简单的廉价的互联网设备，中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，中继器若出现故障，对相邻的两个网段的工作都有影响，由于中继器工作在物理层所以他不能连接在两个具有不同速率的网段。
2.集线器（Hub）
集线器实质上是一个多端口的中继器，当集线器工作时一个端口接收到数据信号后，由于信号从端口到Hub的传输过程已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之恢复到原来的状态，紧接着转发到除接口端以外的所有的处于工作状态的端口，如果同时又两个端口输入组会发生冲突，致使这些数据都无效，所以Hub在网络中之气信号放大和再生的作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，也就是说信号的传送方向是固定的。
总结
这篇文章为大家讲述了计算机网路当中的物理层的相关知识，明天将继续为大家讲解数据链路层相关的知识，时间紧迫，文章当中可能又不合理的内容或者一些错别字，欢迎各位读者在评论区留下您宝贵的意见，谢谢大家！