计算机网络之物理层（数据通信有关）

一、概述

1.1物理层引入的目的

屏蔽掉传输介质的多样性，导致数据传输方式的不同；物理层的引入使得高层看到的数据都是统一的0,1构成的比特流

1.2.物理层如何实现屏蔽

物理层靠定义的不同的通信协议（一般称通信规程）

这些协议的主要特征表现：物理层标准（机械特性（管脚多少，大小，形状），电气特性（电压高低）功能特性，过程特性（做出什么相应））

1.3物理层下的传输媒体

1. 引导型传输媒体（有线）
2. 非引导型传输媒体（无线）

 

重点：
双绞线的绞合目的：抵御部分来自外界的电磁波干扰和减少相邻导线的电磁干扰。
光纤分为：多模光纤和单模光纤。

1）导向性  （能够将数字信号按固定方向传导的）

铜介质：金属铜材料构成的

同轴电缆，双绞线（虽然带宽低，编码的方式提升了比特的传输速率）   

塑料介质：

光纤导线        

要求掌握：不同传输介质的传输特性，各种介质优缺点

2）非导向性（不能控制数据信号传输方向）

无线：

红外线（遥控器：功耗小）微波传输（卫星，空间站）  Wi-Fi   蓝牙 

1.4通信模型中相关术语

1）信息 ：通讯的目的是传输信息

2）数据：数据是信息的载体

3）信号：数据的外在表现形式

信号分为：连续变化的模拟信号（正弦波），离散变化的数据信号（脉冲）

4）信号的变换：信号由一种形式变化成另一种形式      调制

                           数字信号---》数字信号                         编码

                           数字信号---》模拟形式                         调制

5）常见的编码技术

6）常见的调制技术

1.5传输方式

★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
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 

在计算机网络中，数据在传输线路上的传输时串行传输；而计算机内部(如CPU和内存)多使用并行传输

★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(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)

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)，

1.6编码与调制

消息：需要计算机帮助用户处理和传输的文字、图片、音频、视频等。

数据：运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。

信号：数据的电磁表现。

基带信号：由信源发出的原始电信号。基带信号又可分为两类：

1. 数字基带信号
2. 模拟基带信号

信道可分为数字信道和模拟信道两种。信号需要在信道中进行传输

常用编码

 ①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

这种编码方式如何区分连续几个相同电平呢？

这要求发送方发送和接收方接收严格同步，这就需要额外一根传输线来传输时钟信号。接收方按照时钟节拍逐个接收码元。但是对于计算机网络，多的线不如拿来传输数据，因此由于存在同步问题，计算机中的数据传输不使用不归零编码

②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。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用"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)

③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 

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。

④差分曼彻斯特编码

①跳变仅表示时钟 ②码元开始处电平是否发生变化表示数据。
比曼彻斯特变化少，更适合较高的传输速率 

基本调制方法

 1.7信道的极限容量

通信质量较差的信道在传输信号的过程中会发生严重失真(无法识别原信号)【码间串扰】

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

 奈氏准则

信道传输容量

 

信号不能无限制的传输速率  在低通信情况下（无噪声，带宽受限）码元传输速率是有影响的  2W

 香农公式

信道无差别传输速率

按香农定理指导，一定有一种方法保证数据能以这样的速率无差错的进行传输

 1.8信道的复用技术

1）目的 

提供传输介质的利用率

信道是信号传输通路，信道的载体是具体的传输介质

2）方法

频带细分；时间细分；编码细分

频分多路复用技术，将传输介质的同频带进行划分，划分出不同的子频带，然后让每一路信号在不同子频带上传输，从而让多路信号同时进行传输

3）具体实现

1.频分多路复用技术

2.时分多路复用技术

3.波分多路复用技术

4.码分多路复用技术