计算机网络——物理层

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发布时间：2019-05-24

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文章目录

一. 目录

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二. 物理层的基本概念

1. 物理层解决的问题：

如何在链接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流（01010），而不是指具体的传输媒体。

2. 物理层的作用

屏蔽硬件设备和传输媒体的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。

那么数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，不必考虑具体传输媒体是什么。

3.物理层的协议主要任务：

物理层的协议也常称为物理层规程

确定传输媒体的接口的一些特性。

机械特性：

接口形状，大小，引线数量、排列

电气特性：
```
例如规定电压范围(-5V到+5V)
```

功能特性：

指明某电平表示的意义  例如规定-5V表示0，+5V表示1

过程特性：

也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

4. 数据通信方式

在计算机中多采用并行传输

在通信线路上采用串行传输

三. 数据通信的基础知识

1. 数据通信系统的模型

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2. 数据通信系统分为三大部分：

(1). 源系统

源系统又包括以下几个部分

1. 源点

源点设备产生要传输的数据

例如：PC键盘输入字，输入数字比特流

2. 发送器

源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输

典型发送器：调制器

(2). 传输系统

可以是简单的传输线路，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统

(3). 目的系统

目的系统又包括以下几个部分

1. 接收器

接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息

典型的接收器：解调器

2. 终点

终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流，然后进行信息输出

例如：汉子在PC屏幕显示

3. 数据通信中相关术语

通信的目的是传送消息（Message）

消息例如：话音、文字、图像

数据(data)——运送消息的实体。

信号(signal)——数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数取值方式分类：	模拟信号——代表信息的参数的取值是连续的。	数字信号——代表信息的参数的取值是离散的。

码元(code)——在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。（有两种状态：0和1）这个间隔称为码元长度，1 code可以携带n bit信息量(此时电压会有多个取值	例如1，2，…,7V，而不是只有2个取值)。

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4. 编码与调制

(1). 信道的概念

信道一般表示向某一个方向传输信息的媒体。所以通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

(2). 信道分类

要利用信道传输数据，必须将数据转换为能在传输媒体上传送的信号。

信道可分为：

传送模拟信号的模拟信道

传送数字信号的数字信道

(3). 编码

编码(coding)指的是：将数字数据转换为数字信号的过程

1. 旧版的编码方式

单极性不归零编码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0.

双极性不归零编码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0.

单极性归零编码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。

双极性归零编码：正负零三个电平，信号本事携带同步信息。

缺点：单极性编码的缺点是没有办法区分此时是：没有信号，还是有信号的0信号

曼彻斯特编码：一个时钟周期只可以表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。它能携带时钟信号，而且能区分此时是没有信号还是信号为0（能够表示没有数据传输）.

差分曼彻斯特编码：与曼彻斯特编码相同，但是抗干扰能力比曼彻斯特编码更强

2. 新版的编码方式

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归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1。

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

3. 举例

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(4). 调制

将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制(modulation)

1. 基带信号(基本频率信号)(baseband)

来自信源的信号

矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量

例如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如说我们说话的声波。

基带传输：在数字信道上直接传输基带信号的方法

2. 带通信号(base pass)

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围迁移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

3. 基带信号变为带通信号几种基本的调制方法(带通调制)：

基带信号往往包含较多的低频成分，甚至直流成分。而许多模拟信道仅能通过某一频率范围的信号，不能直接传输这种基带信号

所以必须对基带信号通过载波进行调制，成为带通信号这样就能够在模拟信道中传输。

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调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化，即幅移键控ASK (Amplitude-Shift Keying)。

调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化，即频移键控FSK (Frequency-Shift Keying)。

调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化，即相移键控PSK (Phase-Shift Keying)。

4. 基带传输和带通传输方式对比

因此在传输距离较近时，采用基带传输方式(衰减不大，信号内容不会变化)。

传输距离较远时，采用带通传输方式，例如从计算机到监视器，打印机等外设的信号。

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实现调制和解调功能设备称为：调制解调器

5. 信道极限容量

信道极限容量取决于失真的大小，有失真，但可以识别。当失真过大时，接收信号无法还原发送信号。

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码元传输速率越高，信号传输距离越远，噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就会越严重

限制码元在信道上的传输速率的因素：有以下两个

5.1 码间串扰

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1. 奈氏(Nyquist)准则

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5.2. 信噪比(S/N)和香农公式

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5.3. 奈氏(Nyquist)准则和香农公式的应用范围

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6. 数字传输方式

6.1 从通信双方信息交互的方式来看分为

单向通信(单工通信)——只能有一个方向的通信，没有反向交互。

需要一条信道

双向交替通信(半双工通信)——通信的双方都可以发送信息，但是不能双方同时发送或接收。

需要两条信道

双向同时通信(全双工通信)——通信的双发可以同时发送和接收。

需要两条信道

6.2 数据传输方式分为

串行传输：

并行传输：

6.3 异步传输和同步传输

异步传输：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。

同步传输：收发双方在时间基准上保持一致的过程

四. 物理层下面的传输媒介

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1. 导向型传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

1.1 双绞线：

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屏蔽双绞线STP

无屏蔽双绞线UTP

1.2 同轴电缆：

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50欧姆同轴电缆(基带同轴电缆)——用于数字传输，多用于基带传输；

75欧姆同轴电缆(宽带同轴电缆)——用于模拟传输，多用于带通传输；

1.3 光缆：

1.4 网线：

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注意，现在网卡能够自动协商，所以交叉线和直通线已经无所谓了，连错了也没关系。

1.5 光纤

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光线在光纤中折射

光纤的工作原理

2. 非导向型传输媒体

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非导向传输媒体指自由空间，其中的电磁波传输称为无线传输。

无线传输的频段很广。

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播(延迟大)——地面微波接力通信；卫星通信。

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3. 物理层设备

(1). 集线器：再生，放大信号

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集线器的特点

工作特点是：在网络中只起到信号放大和重发作用

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。

最大传输距离是100m

集线器是一个大的冲突域(意思是某个时间点只能是2台设备进行通信)。

现在很少用集线器了，它不安全，一般用交换机。

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(2). 中继器（又叫转发器）

转发器（Repeater）又被称为中继器或放大器，执行物理层协议，负责第一层（物理层）的数据中继，实现电气信号的“再生”。用于互连两个相同类型的网段，主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息位的转发。它本身不执行信号的过滤功能。

五. 信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

实现信道复用技术的方式：

1. 频分复用(FDN: frequency division multiplexing)

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终站用这个频带。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(带宽指频率带宽不是数据的发送速率)。

发送端：

接收端：

频分复用FDM的例子

2. 时分复用(TDN: time division multiplexing)

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实现技术机制：

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时分复用设备：

缺点：

3. 统计时分复用(STDM: statistic TDM)

需要在放置前添加标记。

4. 波分复用(WDM: wavelength division multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。

5. 码分复用(CDM, Code Division Multiplexing)

常用的名词是码分多址：CDMA（Code Division Multiple Access）

5.1 概述

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

5.2 工作原理

在CDMA中，每一个比特(bit: 0101)时间在划分为m个短的间隔，称为码片（Chip），通常m的值为64或128,。

下面我们设m=8来方便理解

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要求：

发送的bit位：

1用码片表示（+1和-1的关系）0用码片表示（码片的反码）

S站的码片与S站进行内积可以得出需要的结果

S站的码片与其他站进行内积的结果为0

所以S站相要发送的所有信号中获得发送给自己的信号，就要通过S的码片与所有的信号进行求内积运算，将其他信号过滤

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六. 数字传输系统

1. 主要讲的是广域网的数据传输。

1.1 PCM速率体制

脉码调制(PCM)体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

由于历史原因，PCM有两个互不兼容的标准：欧洲是E1标准(30路)，北美是T1(24路)。

我国采用的是：E1标准

E1传输速率：2.048Mb/s；而T1的传输速率是：1.544Mb/s

当需要有更高的速率时，可采用复用的方法。

1.2 数字通信技术怎么实现数据传输：

声波每秒采样8000次，每一个码元是一个字节（8位二进制数），所以64K二进制就可以传走声音。

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E1电路是32路电路进行时分复用：在这里插入图片描述

T1电路是24路电路进行时分复用：

七. 互联网接入技术

1. 非对称数字用户链路ADSL

ADSL使用电话线提供Internet访问

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电话线上网：用户端

1.1 ADSL的特点：

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1.2 DMT技术

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1.3 DMT技术图示

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1.4 DMT技术的频谱分布

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1.4 ADSL的组成

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2. 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)

HFC使用有线电视网络线提供Internet访问

2.1 HFC的主要特点

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2.2 HFC网采用结点体系结构

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2.3 HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能

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2.4 每个家庭要安装一个用户接口盒

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2.5 HFC网的最大优点

具有很宽的频带

能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网

3. FTTx技术（Fiber to The x /光纤到…）

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4. 以太网接入

各种政府机构、大型企业和大学校园的用户通常通过内部的以太网接入到因特网

一些接入网运营商将以太网用于住宅接入网领域，在原有以太网技术的基础上（采用原有以太网的帧结构和接口），增加了远端馈电、接入端口的控制、用户间的隔离、计费等功能

5. 无线接入

无线接入技术目前最常用的有两种：

无线广域接入：通过蜂窝移动通信系统接入到因特网（典型的：3G、4G）。

无线局域接入：通过无线局域网接入到因特网(典型的：Wi-Fi)。

八. 网线的制作

1. 直通线

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2. 交叉线

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交叉线: 用于连接相同的设备,如

2台计算机直接相连

集线器/交换机的级连（Uplink口+Uplink口 / 普通口+普通口)

直通线：用于连接计算机与网络设备，如

计算机与集线器/交换机直接相连

集线器/交换机的级连（Uplink口+普通口）

计算机与超级终端（如交换机，路由器）的连接。

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