计算机网络——第二章 物理层（详细附图）
第二章 物理层
- 2.1 物理层的基本概念
- 2.2 物理层下面的传输媒体
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- 导引型传输媒体
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- 同轴电缆
- 双绞线
- 光纤
- 电力线
- 非导引型传输媒体
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- 无线电波中
- 微波通信
- 红外线
- 可见光
- 2.3 传输方式
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- 串行传输、并行传输
- 同步传输、异步传输
- 单工、半双工、全双工
- 2.4 编码与调制
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- 常见编码
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- 不归零编码
- 归零编码
- 曼彻斯特编码
- 差分曼彻斯特编码
- 基本调制方法
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- 调幅（AM）
- 调频（FM)
- 调相（PM）
- 混合调制——正交振幅调制QAM
- 2.5 信道的极限容量
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- 奈氏准则
- 香农公式
- 综合考虑
2.1 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。
- 在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多，大致可以分为两类。一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。
- 由于传输媒体的种类众多，例如：双绞线、光纤等。物理连接方式也很多，例如：点对点连接、广播连接等。因此物理层协议种类就比较多。但每个物理层协议都包含了如下四个任务的具体内容：
2.2 物理层下面的传输媒体
- 传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。如果非要将它添加到体系结构中，那只能将其放在物理层之下。
导引型传输媒体
- 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。
- 包括：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。
同轴电缆
（1）其各层是同轴心的。
（2）内导体铜质芯线，可以是单股实心线或者是多股绞合线。
（3）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。
双绞线
（1）最古老又最常见的传输媒体，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。
（2）屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力。价格也要更贵一些。
光纤
（1）光纤非常细，因此必须把它做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤。再加上加强芯和填充物，就可以大大提高机械强度。必要时还可以放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几千克。完全可以满足工程施工的强度要求。
（2）实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。
（3）多模光纤和单模光纤的区别：
电力线
（1）应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线作为传输媒介是不能满足要求的。对于装修时没有进行网络布线的家庭，可以采用这种方式。对于一些采用独立房间进行办公的企业来说，办公室电脑数目不多且不希望跨办公室进行布线，也可以采用这种方式，根据需求在电源插座上插入一个或多个电力猫即可。
非导引型传输媒体
（1）非导引型传输媒体是指自由空间。可使用的电磁波有：无线电波、微波、红外线、可见光。我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息
（2） 电磁波的频谱如下：
无线电波中
（1）低频和中频频段，主要利用地面波进行传输。
（2）高频和甚高频频段，主要是靠电离层的反射。
微波通信
（1）频率范围300MHZ~300GHZ(波长1m~1mm)，但主要使用2~40GHZ的频率范围。
（2）微波在空气中主要是直线传播，由于微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此其不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。
（3）传统的微波通信包括：地面微波接力通信，另外一种是卫星通信。
红外线
（1）很多家用电器（如：电视，空调）都配套有红外遥控器。
（2）以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信。红外通信属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短。且传输速率低（4Mb/s~16Mb/s）。现在笔记本电脑已经取消了红外接口，但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视，空调等家用电器进行红外遥控。
可见光
（1）LIFI是可见光通信，就是LED灯上的WIFI，以每秒开关千万次LED等来调制光信号。
（2）LIFI在短时间内无法取代WIFI。如果两个房间内的网络设备要基于LIFI通信，很难做到可见光的同步。
2.3 传输方式
串行传输、并行传输
（1）串行传输是指数据是一个比特一个比特依次发送的，因此，在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。
（2）并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。
- 优点：速度为串行传输的n倍。
- 缺点：成本高。
（3）数据在传输线路上的传输采用的是串行传输。计算机内部的数据传输常采用并行传输方式（如CPU与内存之间）。
常见的数据总线宽度有8位、32位和64位。
同步传输、异步传输
（1）同步传输中，数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。
（2）由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同。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收发双方的时钟保持同步。
（3）采用异步传输方式时，以字节为独立的传输单位。字节之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，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。
单工、半双工、全双工
（1）单工通信（单向通信），通信双方只有一个数据传输方向（无线电广播）。只需要一条信道
（2）半双工通信（双向交替通信），通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行（对讲机）。需要两条信道。
（3）全双工通信（双向同时通信），通信双方可以同时发送和接收信息（电话）。需要两条信道。
2.4 编码与调制
- 在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，它们可以统称为消息。
- 数据是运送消息的实体。计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线。信号是数据的电磁表现。
- 由信源发出的原始信号称为基带信号。
- 基带信号可以分为两类，一类是数字基带信号（计算机内部CPU与内存之间的传输信号）。另一类是模拟基带信号，麦克风收到声音后产生的音频信号。
- 信号需要在信道中进行传输。信道分为数字信道和模拟信道。
- 在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行交换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。
- 把数字基带信号的频率范围搬移到较高频段，并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信号为模拟信号，可以在模拟信号中传输。
- 严格来说，传输媒体和信道不能直接划等号。对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道。而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道。如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。
常见编码
不归零编码
（1）正电平表示比特1，负电平表示0。所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。
（2）该编码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，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。
（3）对于计算机网络，宁愿利用这跟传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。所以计算机网络中的数据传输不采用这类编码
（4）存在同步问题
归零编码
（1）每个码元传输结束后信号都要归零，所以接收方只要在信后归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
（2）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。
（3）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。
（4）自同步，但编码效率低
曼彻斯特编码
（1）在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。例子中，负跳变表示比特1，正跳变表示比特0。
（2）码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。
（3）传统以太网使用的就是曼彻斯特编码。
差分曼彻斯特编码
（1）在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。与曼彻斯特编码不同，跳变仅表示时钟。而用码元开始处电平是否变化来表示数据。
（2）比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。
基本调制方法
调幅（AM）
无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1。
调频（FM)
频率f1的波形表示比特0，频率f2的波形表示比特1。
调相（PM）
初相位0度的波形表示比特0，初相位180度的波形表示比特1。
混合调制——正交振幅调制QAM
（1）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。
（2）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。
2.5 信道的极限容量
- 码间串扰：信号波形失去了码元之间的清晰界限。
奈氏准则
注意：
（1）实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈式准则给出的这个上限值。
（2）信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别。并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。
香农公式
综合考虑
