1 基礎概念

物理層解決如何在鏈接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流, 而不是指具體的傳輸媒體.

物理層的主要任務, 確定與傳輸媒體接口有關的一些特性. -> 定義標準

1.1 物理層規定的特性:

• 機械特性: 定義物理連接的特性, 規定物理連接時所采用的規格, 接口形狀, 引線數目, 引腳數量和排列情況.
• 電氣特性: 規定傳輸二進制位時, 線路上信號的電壓范圍, 阻抗匹配, 傳輸速率和距離限制等.
• 功能特性: 指明某條線上出現的某一電平表示何種意義, 接口部件的信號線的用途.
• 規程特性: (過程特性) 定義各條物理線路的工作流程和時序關系.

1.2 數據通信基礎知識

1.2.1 典型的數據通信模型:

• 信源: 通信發起終端.
• 發送器(調制解調器): 把信源發過來的數字信號轉化為模擬信號發送給傳輸系統(公用電話網).
• 傳輸系統
• 接收器(調制解調器): 把模擬信號轉換為數字信號送給信宿.
• 信宿: 通信接收終端.

1.2.2 數據通信相關術語:

• 數據: 傳送信息的實體, 通常是有意義的符號序列.
• 信號: 數據的電氣/電磁的表現, 是數據在傳輸過程中的存在形式, 包括數字信號和模擬信號.
• 信源: 產生和發送數據的源頭.
• 信宿: 接收數據的終點.
• 信道: 信號的傳輸媒介, 一般用來表示向某一個方向傳送信息的介質,? 因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道.

1.2.3 三種通信方式:

• 單工通信: 只有一個方向的通信而沒有反方向的交互, 僅需要一條信道.
• 半雙工通信: 通信的雙方都可以發送或接收信息, 但任意一方都不能同時發送和接收, 需要兩條信道.
• 全雙工通信: 通信雙方可以同時發送和接受信息, 也需要兩條信道.

1.2.4 兩種數據傳輸方式:

• 串行傳輸: 速度較慢, 費用較低, 適合遠距離.
• 并行傳輸: 速度較快, 費用較高, 適合近距離.

1.3 數據通信相關術語

1.3.1 碼元:

基本概念:

碼元是指用一個固定時長的信號波形(數字脈沖), 代表不同離散數值的基本波形, 是數字通信中數字信號的計量單位, 這個時長內的信號稱為k進制碼元, 而該時長稱為碼元寬度. 當碼元的離散狀態有M個時(M大于2), 此時碼元為M進制碼元.

1碼元可以攜帶多個比特的信息量, 例如, 在使用二進制編碼時, 只有兩種不同的碼元, 一種代表0狀態, 一種代表1狀態.?

1.3.2 速率, 波特:

速率:

速率也叫數據率, 是指數據的傳輸速率, 表示單位是見內傳輸的數據量, 可以用碼元傳輸速率和信息傳輸速率表示.

碼元傳輸速率:

別名碼元速度, 波形速率, 調制速率, 符號速率等, 它表示單位時間內數字通信系統索傳輸的碼元個數(也可稱為脈沖個數或者信號變化的次數), 單位是波特(Baud). 1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元. 這里的碼元可以是多進制的, 也可以是二進制的, 但碼元速率與進制數無關.

信息傳輸速率:

別名信息速率, 比特率等, 表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數(即比特數), 單位是比特/秒(b/s).?

碼元傳輸速率與信息傳輸速率的關系:

假如一個碼元攜帶n bit的數據量(n進制碼元), 則M Baud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M * n bit/s.

1.3.3 帶寬:

表示在單位時間內從網絡中從網絡中的某一點到另一點所能通過的"最高數據率". 常用來表示網絡的通信線路所能傳輸數據的能力, 單位是b/s.

1.4 奈氏準則和香農定理

1.4.1 失真

信號失去其真實性. 信號在傳輸過程中發生的情況. 碼元傳輸速率越快, 傳輸距離越遠, 噪聲干擾越大, 傳輸媒體質量越差, 失真越嚴重. 且信號的頻率越高, 也會出現碼間串擾的一種失真現象. 所以模擬信號傳輸有最低和最高的頻率限制, 最高和最低的差值即為模擬信號傳輸信道的帶寬.

1.4.2 奈氏準則(奈奎斯特定理)

在理想低通(無噪聲, 帶寬受限)條件下, 為了避免碼間串擾, 極限碼元傳輸速率為2W Baud.W是信道的帶寬, 單位是Hz.

1.4.3 香農定理

背景:

噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中, 由于噪聲隨機產生, 它的瞬時值有時會很大, 因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤, 但是噪聲的影響是相對的, 若信號較強, 那么噪聲影響相對較小. 因此, 信噪比就很重要.

信噪比 = 信號的平均功率 / 噪聲的平均功率, 常記為 s/N(signal / noise), 并用分貝 (dB) 作為度量單位, 即:

信噪比?

香農定理:

具體為: 在帶寬有限且有噪聲的信道中, 為了不產生誤差, 信息的數據傳輸速率有上限值.

信道的極限傳輸速率?

1.4.4 如何利用奈氏準則和香農定理:

奈氏準則是內憂, 即在帶寬受限的無噪聲條件下, 為了避免碼間串擾, 碼元傳輸速率的上線為2W Baud. 而香農定理是外患, 帶寬受限且又噪聲條件下的信息傳輸速率. 所以數據最大傳輸速率需要同時滿足奈氏準則和香農定理, 所以要取其小.

1.5 數據的編碼和調制

1.5.1 基帶信號和寬帶信號:

基帶信號:

將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示, 再送到數字信道上去傳輸(基帶傳輸). 來自信源的信號, 像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬于基帶信號. 基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的信息的信號, 比如我們說話的聲波就是基帶信號.

寬帶信號:

將基帶信號進行調制后形成的頻分復用的模擬信號, 在傳送到模擬信道上傳輸(寬帶傳輸). 把基帶信號經過載波調制后, 把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即盡在一段頻率范圍內能夠通過信道).

在傳輸距離較近時, 計算機網絡采用基帶傳輸方式(近距離衰減小, 從而信號內容不易發生變化).

在傳輸距離較遠時, 計算機網絡采用寬帶傳輸方式(遠距離衰減大, 即使信號變化大也能最后過濾出來基帶信號).

1.5.2?編碼與調制

編碼:

把數據轉換成數字信號, 稱為編碼.

調制:

把數據轉換成模擬信號, 成為調制.

如果把數字數據編碼成數字信號, 需要通過數字發送器.

如果把數字數據調制成模擬信號, 需要通過調制器.

如果把模擬數據編碼成數字信號, 需要通過PCM編碼器.

如果把模擬信號調制成模擬信號, 需要通過放大器調制器.

1.5.3 四種編碼和調制的手段:

數字數據編碼為數字信號:

常用的編碼方法(加粗表示常用):

• 非歸零編碼(NRZ): 高電平對應1, 低電平對應0. 編碼容易實現, 但沒有檢錯功能, 且無法判斷一個碼元的開始和結束時間, 以至于收發雙方難以保持同步.
• 曼徹斯特編碼: 將一個碼元分成兩個相等的間隔, 前一個間隔為低電平后一個間隔為高電平表示碼元1; 碼元0則正好相反. 也可以采用相反的規定. 該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳變, 位于中間的跳變既作時鐘信號(可用于同步), 又作數據信號, 但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍.
• 差分曼徹斯特編碼: 常用于局域網傳輸, 其規則是: 若碼元為1, 則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同; 若為0, 則相反. 該編碼的特點是, 在每個碼元的中間, 都有一次電平的跳轉, 可以實現自同步, 且抗干擾性強于曼徹斯特編碼.
• 歸零編碼(RZ): 信號電平在一個碼元之內都要恢復到零的這種編碼形式.?
• 反向不歸零編碼(NRZI): 信號電平翻轉表示0, 信號電平不變表示1.
• 4B/5B編碼: 比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1, 就是用5個比特來編碼四個比特的數據, 之后在傳給接收方, 因此稱為4B/5B. 編碼效率為80%. 只采用16種對應16種不同的4位碼, 其他的16種作為控制碼(幀的開始和結束, 線路的狀態信息等)或保留.

數字數據調制為模擬信號:

數字數據調制技術在發送端把數字信號轉換成模擬信號, 而在接收端將模擬信號還原為數字信號, 分別對應于調制解調器的調制和解調過程.

• ASK(調幅): 0沒有幅度, 1對應有振幅.
• FSK(調頻): 0低頻, 1高頻.
• PSK(調相): 通過相位不同區分0和1.
• QAM(調幅 + 調相): 可以舉個例子說明: 某通信鏈路的波特率是1200Baud, 采用四個相位, 每個相位有四種振幅的QAM調制技術, 則該鏈路的信息傳輸速率是多少? 波特率為1200, 說明每秒傳輸1200個碼元, 而一共有四種相位, 每個相位有四種振幅, 說明碼元的取值有16種可能性, 代表著一個碼元可以攜帶4個比特的信息, 也就是說信息傳輸速率是4 * 1200 b/s也就是4.8 kb/s.

模擬數據編碼為數字信號:

計算機內部處理的是二進制數據, 處理的都是數字音頻, 所以需要將模擬音頻通過采樣, 量化轉換成有限個數字來表示的離散序列(即實現音頻數字化).

最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈碼調制(PCM), 在計算機應用中, 能夠打到最高保真水平的就是PCM編碼, 被廣泛用于素材保存及音樂欣賞, CD, DVD以及我們常見的WAV文件中均有應用. 它主要包括三步: 抽樣, 量化, 編碼.

抽樣: 對模擬信號周期性掃描. 把時間上連續的信號變成時間上離散的信號. 為了使得所得的離散信號能無失真地代表被抽樣的模擬數據, 要使用采樣定理進行采樣:?

量化: 把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標度轉化為對應的數字串, 并取整數, 這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量.

編碼: 把量化的結果轉換為與之對應的二進制編碼.

模擬數據調制為模擬信號:

為了實現傳輸的有效性, 可能需要較高的頻率. 這種調制方式還可以使用頻分復用技術, 充分利用帶寬資源. 在電話機和本地交換機所傳輸的信號是采用模擬信號傳輸模擬數據的方式; 模擬的聲音數據是加載到模擬的載波信號中傳輸的.

2 物理層傳輸介質

傳輸介質也稱傳輸媒體/傳輸媒介, 它就是數據傳輸系統中在發送設備和接收設備之間的物理通路.?

傳輸媒體并不是物理層.?傳輸媒體在物理層的下面, 因為物理層是體系結構的第一層, 因此有時稱傳輸媒體為0層, 在傳輸媒體中傳輸的是信號, 但傳輸媒體不知道所傳輸的信號代表什么意思. 但物理層規定了電氣特性, 因此能夠使別所傳輸的比特流.

傳輸介質可以有以下分類:

• 導向性傳輸介質
• 非導向性傳輸介質

2.1 導向性傳輸介質

電磁波被導向沿著固體媒介(銅線/光纖)傳播. 可以有以下分類

2.1.1 雙絞線

古老, 又最常用的傳輸介質, 它由兩根采用一定規則并排絞合的, 相互絕緣的銅導線組成. 為了進一步提高抗電磁干擾能力, 可在雙絞線的外面再加上一個由金屬絲編織成的屏蔽層, 這就是屏蔽雙絞線(STP), 無屏蔽層的雙絞線就稱為非屏蔽雙絞線(UTP).

雙絞線的優勢:

雙絞線價格便宜, 是最常用的傳輸介質之一, 在局域網和傳統電話網中普遍使用. 模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線, 其通信距離一般為幾公里到數十公里. 距離太遠時, 對于模擬傳輸, 要用放大器放大衰減的信號. 對于數字傳輸, 要用中繼器將失真的信號整形.

2.1.2 同軸電纜

由導體銅質芯線, 絕緣層, 網狀編織屏蔽層和塑料外殼構成. 按特性阻抗數值的不同, 通常將同軸電纜氛圍兩類: 50同軸電纜和75同軸電纜. 其中,?50同軸電纜主要用于傳送基帶數字信號, 又稱為基帶同軸電纜. 它在局域網中得到廣泛應用.?75同軸電纜主要用于傳送寬帶信號, 又稱為寬帶同軸電纜, 它主要用于有線電視系統.

同軸電纜和雙絞線對比:

由于外導體屏蔽層的作用, 同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好, 被廣泛用于傳輸較高速率的數據, 其傳輸距離更遠, 但價格較雙絞線貴.

2.1.3 光纖

光纖通信就是利用光導纖維(簡稱光纖)傳遞光脈沖來進行通信, 有光脈沖表示1, 無光脈沖表示0, 而可見光的頻率大約是, 因此光纖通信系統的帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬.?

光纖在發送端有光源, 可以采用發光二極管或半導體激光器, 他們在電脈沖的作用下能產生出光脈沖, 在接收端用光電二極管做成光檢測器, 在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖.

光纖構成:

光纖主要有纖芯(實心)和包層構成, 光波通過纖芯進行傳導, 包層較纖芯有較低的折射率. 當光線從高折射率的介質射向低折射率的介質時, 其折射角將大于入射角. 因此, 如果入射角足夠大, 就會出現全反射, 即光纖碰到包層時候就會折射回光纖, 這個過層不斷重復, 光電就沿著光纖傳輸下去.

光纖分類:

• 多模光纖:

定義:

有多種傳輸光信號模式的光纖

光源:

發光二極管

特點:

易失真, 適合近距離傳輸

• 單模光纖:

定義:

一種在橫向模式直接傳輸光信號的光纖?

光源:

定向性很好的激光二極管.

特點:

衰耗小, 適合遠距離傳輸

光纖的特點:

• 傳輸損耗小, 中繼距離長, 對遠距離傳輸特別經濟.
• 抗雷電和電磁干擾性能好
• 無串音干擾, 保密性好, 也不易被竊聽或截取數據.
• 體積小, 重量輕.

2.2 非導向性傳輸介質

非導向性傳輸介質: 自由空間, 介質可以是空氣, 真空, 海水等.

非導向性傳輸介質可以有以下分類:

• 無線電波

信號向所有方向傳播, 穿透能力較強, 廣泛用于通信領域(如手機通訊).

• 微波

信號固定方向傳播, 微波通信頻率較高, 頻段范圍寬, 因此數據率很高.

可以有以下應用:

• 地面微波接力通信
• 衛星通信: 優點是通信容量大, 距離遠, 覆蓋廣, 廣播通信和多址通信, 缺點是傳播延時長, 受氣候影響大, 誤碼率較高, 成本高.

• 紅外線, 激光

信號固定方向傳播, 把要穿波的信號分別轉換為各自的信號格式, 即紅外光信號和激光信號, 再在空間中傳播.

3 物理層設備

3.1 中繼器

誕生原因:

由于存在損耗, 在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減, 衰減到一定程度時將造成信號失真, 因此會導致接收錯誤.

中繼器的功能:

對信號進行再生和還原, 對衰減的信號進行放大, 保持與原數據相同, 以增加信號傳輸的距離, 延長網絡的長度(再生數字信號).

中繼器的兩端:

• 兩端的網絡部分是網段, 而不是子網, 適用于完全相同的兩類網絡的互聯, 且兩個網段速率要相同.
• 中繼器只將任何電纜段上的數據發送到另一段電纜上, 它僅作用于信號的電氣部分, 并不管數據中是否有錯誤數據或不適用于網段的數據.
• 兩端可連相同媒體, 也可連不同媒體
• 中繼器兩端的網段一定要是同一個協議. (中繼器不會存儲轉發)

5-4-3規則(10M以太網中的規定):

網絡標準中都對信號的延遲范圍作了具體的規定, 因而中繼器只能在規定的范圍內進行, 否則會網絡故障:

• 5是指只能有最多不超過5個網段
• 4是指只能有最多不超過4個網絡設備, 網絡設備可以是中繼器也可以是集線器
• 3是指只有三個端可以連接計算機

3.2 集線器(多口中繼器)

跟中繼器的功能類似,?集線器的功能為:

對信號進行再生放大轉發, 對衰減的信號進行放大, 接著轉發到其他所有(除輸入端口外)處于工作狀態的端口上, 以增加新好傳輸的距離, 延長網絡的長度, 不具備信號的定向傳送能力, 是一個共享式設備.

需要注意的是:

集線器不能分割沖突域(也就是說集線器連接的設備同時通信時, 集線器無法同時處理), 其處理方式為, 連在集線器上的工作主機平分帶寬(括號內為個人理解, 不一定對:?把單位時間分成多份, 用于不同設備之間的通訊?), 導致集線器通訊的效率很低.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络中的物理层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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