计算机网络——物理层

一、物理层基本概念

目录

一、物理层基本概念

二、通信基础

三、信道复用技术

四、物理层传输介质

五、物理层传输设备


物理层:考虑的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,并非具体的传输媒体,其作用是:尽可能规避不同传输媒体和通信手段之间的差异。

主要任务:确定与传输媒体的接口相关的特性:

(1)机械特性:指定所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排队、固定和锁定装置

(2)电气特性:指定接口电缆的各条线上出现的电压范围

(3)功能特性:指明某条线上的某一电平的电压表示何种意义

(4)过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

二、通信基础

数据通信系统模型:一个数据通信系统主要划分为源系统(发送端)、传输系统(传输网络)目的系统(接收端)三大部分 。

信源(源点)是产生和发送数据的源头、信道是信号的传输媒介、信宿是接收数据的终点

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分类:从通信双方交换信息交互方式看,可分为三种基本方式:

(1)单向通信——单工通信:只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

(2)双向交替通信——半双工通信:通行的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送与接收。

(3)双向同时通信——全双工通信:通信双方可以同时发送和接受信息。

  • 基带信号:来自信源的信号,通常较多的低频成分,甚至有直流成分
  • 调制:为解决一些信道不能传输信号的低频分量或直流分量这个问题,需要对信号进行调制。分为基带调制和带通调制

(1)基带调制:将数字信号转化为另一种数字信号,这一过程也称编码

        常见的4种编码方式:不归零编码   归零编码   曼彻斯特编码   差分曼彻斯特编码

(2)带通调制:将数字信号转化为模拟信号。

        常见的3种带通调制方式:调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)

常见的4种编码方式:

(1)不归零编码:高电平代表1,低电平代表0。

(2)归零编码:正脉冲代表1,负脉冲代表0。特点:每个时钟周期的中间均跳变到低电平(归零)

(3)曼彻斯特编码:位周期中心的向上跳变代表0,位周期中心的向下跳变代表1。

        注:以太网的编码方式就是曼彻斯特编码。

(4)差分曼彻斯特编码:位开始边界,有跳变代表0,没有跳变代表1,每一位的中心始终都有跳变。

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基本的带通调制方式:

(1)调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。

(2)调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。

(3)调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化。

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码元:在信道中最小的一个脉冲单位,固定时长的信号波形(数字波形)表示一个k进制数字,代表不同离散数值的基本波形。例如:在使用二进制编码时,只有两种状态:1和0,而四进制码元则有四种状态。

波形的失真(噪声):传输媒体质量差、码元传输速率高、传输距离远都会在信道输出端造成失真。

信噪比:信号和噪声的平均功率之比,常记为S/N

当S/N = 1时,信噪比为0dB,而当S/N = 1000时,信噪比为30dB。

带宽W:信号具有频带宽度,单位是赫兹(Hz)。

香农定理:只要信息传输速率低于信道的极限传输速率C,一定存在某种方式来实现无差错的传输。

注:信道的带宽或信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高

三、信道复用技术

复用技术:允许用户使用一个共享信道进行通信,降低成本,提高利用率。最基本的是频分复用时分复用

码分复用CDM

又称码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)

频分复用FDM 波分复用WDM(光的频分复用)
时分复用TDM 统计时分复用STDM(异步时分复用)

频分复用:所有用户在相同的时间占用不同的带宽资源,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率。

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时分复用:将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧),每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙,时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度

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码分复用CDM:

  • 每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片(chip)。
  • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列:发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。
    发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。

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  • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交。

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注:任意一个码片向量和自己的规格化内积都是1。

        任意一个码片向量和反码向量的码片的规格化内积值是-1。

四、物理层传输介质

传输媒体:也称为传输介质或传输媒介,是数据通信系统中在发送端和接收端之间的物理通路。

分为两大类:引导型(有线)和非引导型传输介质。

(1)在引导型传输介质中,电磁波被导引沿着固体媒介(铜线或光纤)传播。主要有3种:双绞线   同轴电缆   光纤

(2)非引导型指传输介质为自由空间,其中电磁波的传输常称为无线传输。主要有2种:无线电波   微波、红外线和激光

导向性传输媒介:

(1)双绞线

  • 最常用的传输介质之一,模拟传输和数字传输都可以使用;
  • 其通信距离一般为几到十几公里;
  • 为了进一步提高抗电磁干扰能力,可在双绞线外面加一个由金属丝编织成的屏蔽层,称为屏蔽双绞线STP,无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线。

(2)同轴电缆

  • 同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的信道
  • 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
  • 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
  • 75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

(3)光纤

  • 光纤是光纤通信的传输媒体。
  • 由于可见光的频率非常高,约为 108 MHz 的量级,因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  • 多模光纤,只适合近距离传输
  • 单模光纤,适合远距离传输

非导向型传输媒介(无线)

(1)无线电波:有很强的穿透能力,传输距离长,广泛应用于通信领域。

(2)微波、红外线和激光:有很强的方向性,都延直线传播。

         卫星通信 :
                优点:通信距离远,容量大,抗雷电和电磁干扰性能好,传输损耗小,中继距离长,基本实现全球通信;
                缺点:传播时延较大,受气候环境影响大

五、物理层传输设备

(1)中继器(又称转发器)

  • 有输入和输出两个端口,主要功能是将信号进行整形并放大再转发出去,以消除信号经过一长段电缆后,因噪声或其他原因导致的失真或衰减。
  • 其原理是信号再生

(2)集线器Hub(多端口的中继器)

  • 由Hub组成的网络是共享式网络
  • 仍是一个总线网,Hub的每个端口连接网络的不同网段只能在半双工状态下工作;
  • 多台计算机必须会同时通信,因此集线器不能分割冲突域,即所有集线器的端口都属于一个冲突域

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