计算机网络知识点——第二章

目录

物理层的一些理论

  物理层基本概念

  数据通信基本知识

    1.相关术语

    2.三种通信方式

    3.两种数据传输方式

  码元、波特、速率、带宽

        1.码元

        2.速率、波特、带宽

  ※ 奈氏准则、香农定理

        失真：

         奈氏准则（奈奎斯特定理）——内部、码间影响

        香农定理——外部、噪声影响

   编码与调制

        基带信号与宽带信号

        编码与调制概念

        ※ 数字数据编码为数字信号

         ※ 数字数据调制为模拟信号

        模拟数据编码为数字信号

        模拟数据调制成模拟信号

物理层的传输媒介

        导向型传输介质

                1.双绞线

                2.同轴电缆

                3.光纤

        非导向性传输媒介

物理层的设备

        中继器

        集线器（多口中继器）

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物理层的一些理论

  物理层基本概念

        主要解决 如何在连接各种计算机的 传输媒体上 传输比特流数据，不是指具体的传输媒体

        主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性——定义标准

                1.机械特性——定义物理连接的特性，即连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量、排列情况。如插排的孔数、网线的引脚数

                2.电气特性——传输二进制位时，电路上信号的 电压范围、抗阻匹配、传输速率和距离限制

                3.功能特性——指明某一电平表示何种意义（物理层接口引脚处于高电平时的含义），接口部件信号线的用途

                4.规程特性——各物理线路工作规程和时序关系

  数据通信基本知识

    1.相关术语

                数据：传送信息的实体，通常指有意义的符号序列

                信号：数据的 电气/电磁形式表现，指数据在传输过程中的存在形式

                        数字信号：消息参数取值是离散的

                        模拟信号：消息参数取值是连续的

                信源：产生、发送数据的源头

                信宿：接收数据的终点

                信道：信号的传输媒介，一般一条通信线路包含一条发送信道和接受信道

    2.三种通信方式

                单工通信——只有一个方向的通信；仅需一条信道

                半双工通信——通信双方都可发送/接收数据，但一方不能同时发送和接收；需要两条信道

                全双工通信——通信双方可以同时发送、接收数据；需要两条信道

    3.两种数据传输方式

                串行传输：速度慢、费用低，适合远距离传输

                并行传输：速度快、费用高、适合近距离

  码元、波特、速率、带宽

        1.码元

                指   用一个固定时长的信号波形，代表不同离散数值的基本波形，该时长称为码元宽度，该时长内的信号称为k进制码元（码元的离散状态有M(>=2)个时，称为M进制码元）

                如：四进制码元——码元离散状态有四个——共有四种高低不同的信号波形：00、01、10、11

        2.速率、波特、带宽

                也叫数据率，指的是数据的传输速率，可用码元传输速率和信息传输速率表示

                1）码元传输速率——1秒传输多少个码元，单位是波特（Baud=码元/s），又称为脉冲个数/信号变化次数，与进制数无关

                 2）信息传输速率——1秒传输多少个比特

                ※关系：若一个码元携带n比特信息，则M 波特的码元传输速率对应的信息传输速率为M*n比特每秒

                带宽：网络中某一点到另一点的“最高数据率”，单位是比特每秒（bit/s），是一种理想情况

  ※ 奈氏准则、香农定理

        失真：

                码间串扰：接收端收到的信号 失去了 码元之间清晰界限 的现象（码元传输速率太快）

         奈氏准则（奈奎斯特定理）——内部、码间影响

                在 理想低通（无噪声，带宽受限，低于最高频率的都可通过）条件下

                为了避免码间串扰

                极限码元传输速率为：2W Baud, W是信道带宽（Hz，不是比特每秒）

                极限数据传输率：2Wlog2V(bit/s)（以2为底，V的对数），W——带宽，V——码元的离散电平数（几种码元）

        注：1.任何信道中，码元传输速率存在上限，若超过就会出现严重的码间串扰问题

                2.信道频带越宽（能通过信道的 高频分量 越多），码元的 有效传输速率 越高

                3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制，未对信息传输速率给出限制

                4.因 码元传输速率 受 奈氏准则的制约，所以要通过  提高码元携带的比特数  来  提高信息传输速率——多元制的调制方法

        香农定理——外部、噪声影响

                噪声——存在于所有电子设备和信道中，影响是相对的，若信号较强则噪声影响相对较小——信噪比很重要

                信噪比：信号平均功率S/噪声平均功率N——信噪比(dB) = 10lg(S/N)

                香农定理：

                        在带宽受限&&有噪声的信道中

                        为了不产生误差

                        信息的数据传输速率有上限值

                信道的极限数据传输速率： 

        注：1.信噪比越大，极限传输速率越高

                2.传输带宽和信噪比确定时，信息传输速率上限就确定了

                3.信息的传输速率低于极限值时，一定可以找到某种方法实现无差错传输

                4.实际信道能达到的要比香农定理求出的低不少 

   编码与调制

        基带信号与宽带信号

                基带信号：将 数字信号1、0 直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输（基带传输->数字信道）

                宽带信号：基带信号调制后形成的  频分复用模拟信号，送到模拟信道上传输（宽带传输）

        编码与调制概念

                数据->编码->数字信号

                数据->调制->模拟信号

        ※ 数字数据编码为数字信号

                1.非归零编码 ——高1低0

                        编码容易实现，没有检错功能，无法判断码元的开始与结束——收发双方难以保持同步

                2.归零编码——一个码元内的电平都要恢复到0

                3.反向不归零编码——电平翻转表示0，持续表示1

                4.曼彻斯特编码——一个码元中，前低后高0、前高后低1（上升0，下降1）

                        所占频带宽度为原始基带宽度的两倍——数据传输速率只有调制速率的0.5（1比特2码元）

                5.差分曼彻斯特编码——同1异0

                        边界处跳变下一个为0，不跳变下一个为1

         ※ 数字数据调制为模拟信号

                该技术用于  在发送端 将数字信号 转换为 模拟信号（调制），在接收端将模拟信号还原为数字信号（解调）

        模拟数据编码为数字信号

             将模拟音频通过采样、量化 转换成有限个数字表示的离散序列（音频数字化）

        PCM脉码调制：

                1.抽样：周期性扫描 模拟信号，将连续信号变为离散信号（采样定理：采样频率>=2信号最高频率）

                2.量化：抽样取得的电平幅值----按一定分级标度---->数字值（取整）

                3.编码：量化结果转换为二进制编码

        模拟数据调制成模拟信号

                将频率提高

物理层的传输媒介

        又称传输媒体/传输介质，是数据传输系统中 发送设备、接收设备之间的 物理通路

        传输媒体不是物理层：传输媒体无法识别传输的信号有何意义；物理层规定了电气特性，因此能识别传送的比特流（因此传输媒体可看作第0层）

                导向性传输介质：电磁波被导向，沿着固体媒介（铜线、光纤）传播

                非导向性传输介质：介质可以是空气、真空，海水等

        导向型传输介质

                1.双绞线

                两根、通过一定规则并排绞合（可以减少对相邻导线的电磁干扰）、相互绝缘的铜导线

                双绞线外面加上金属丝编制的屏蔽层——屏蔽双绞线

                双绞线价格便宜、局域网与传统电话中普遍使用、模拟传输和数字传输都可，对于模拟传输要使用放大器来放大衰减的信号；对于数字传输要使用中继器调整失真的信号

                2.同轴电缆

                由  导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层、塑料外层  组成

                50Ω同轴电缆：主要用于传送基带数字信号

                75Ω同轴电缆：主要用于传送宽带信号

                抗干扰能力较好、传输距离较远、价格较双绞线更贵

                3.光纤

                用光脉冲进行通信；有光脉冲1，无光脉冲0；可见光频率约为10的八次方MHz，因此带宽很大

                由纤芯（实心的）和包层构成

                单模光纤、多模光纤的区别

                 特点：1.传输损耗小 

                2.抗雷电、电磁干扰性能好

                3.重量轻、体积小

                4.无串音，保密性好

        非导向性传输媒介

                1.无线电波

                        信号向所有方向传播

                        穿透能力较强

                        用于通信领域（手机通信）

                2.微波

                        信号向固定方向传播

                        通信频率高，因此数据率很高

                        用于地面微波接力通信、卫星通信（下图为卫星通信的优缺点）

 

                3.红外线、激光（了解）

                        信号向固定方向传播

                        需要把传输的信号转换为各自的信号格式

物理层的设备

        中继器

                诞生原因：信号在线路上传输时会衰减，从而逐渐产生失真，最终导致接收错误

                功能：对信号进行再生、还原，对衰减信号进行放大

                对两端的要求：

                        是网段而不是两个子网，且速率要相同

                        两端可连接相同或不同媒体（不一样的线材）

                        两端网段的协议一定是同一个协议

                5-4-3规则：只能有五个网段、四个中继器、最多三个网段上有计算机（中继器太多会造成过多的延迟或产生故障）

        集线器（多口中继器）

                功能：对信号进行放大转发、对衰减信号进行放大，然后将信号转发到除输入端口外的其他所有正在工作的端口上，不具备信号的定向传输功能（广播）

                集线器无法分割冲突域->多个设备连接时会共享总的带宽