本章知識結(jié)構(gòu)

文章目錄

• 一 通信基礎
• • 1.基本概念
  • 2.奈奎斯特定理與香農(nóng)定理
  • 3.編碼與調(diào)制
  • 4.電路交換、報文交換與分組交換
  • 5.數(shù)據(jù)報與虛電路
• 二 傳輸介質(zhì)
• • 1.雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質(zhì)
  • 2.物理層接口的特性
• 三 物理層設備
• • 1.中繼器
  • 2.集線器

物理層考慮的是怎樣才能在連接各臺計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)的比特流，而不是考慮連接計算機的具體物理設備或具體物理媒體。

一 通信基礎

1.基本概念

1.數(shù)據(jù)、信號與碼元
數(shù)據(jù)是指傳送信息的實體。

信號是指數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn)，是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的存在形式。

碼元是指用一個固定時長的波形(數(shù)字脈沖)表示一位k進制數(shù)字，代表不同離散數(shù)值的基本波形，這個時長內(nèi)的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。1碼元可以攜帶多個比特信息量。

碼元是什么？

一個碼元就是一個脈沖信號,波特率指的就是1秒能發(fā)送多少個碼元，也就是1秒能發(fā)送多少個脈沖信號.
思考：

數(shù)據(jù)通信中，為什么說碼元取4個離散值,則一個碼元攜帶2bit信息？

解答：碼元取4個離散值，說明一個碼元是用一個4進制代碼表示的，一個四進制代碼的信息量是2bit。（1個M進制數(shù)所帶信息量是$lo{g}_{2}M$這么多比特,這涉及信息量的概念，一般是在等概率的情況下進行計算 ）

2信源、信道與信宿
數(shù)據(jù)通信指的是數(shù)字計算機或其他數(shù)字終端之間的通信。一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要劃分為信源、信道與信宿。

信道與電路并不相同，信道是信號的傳輸媒介。一個信道可視為一條線路的邏輯部件，一般用來表示向某個方向傳送信息的介質(zhì)，因此一條通信線路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

信道上傳送的信號有基帶信號和寬帶信號之分。基帶信號將數(shù)字信號0和1直接用兩種不同的電壓表示，然后送到數(shù)字信道上傳輸（稱為基帶傳輸）；寬帶信號將基帶信號進行調(diào)制后形成頻分復用模擬信號，然后傳送到模擬信道上傳輸（稱為寬帶傳輸）。

從通信雙方信息的交互方式來看，通信可分為三種基本方式

名稱含義

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。廣播就是單工通信
半雙工通信	通信的雙方都可以發(fā)送或接收信息，但任何一方都不能同時發(fā)送和接收信息，此時需要兩條信道。
全雙工通信	通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，也需要兩條信道。

3.速率、波特與帶寬
速率也稱數(shù)據(jù)率，指的是數(shù)據(jù)的傳輸速率，它表示單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

1）碼元速率，也稱波形速率，調(diào)制速率，它表示單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)拇a元個數(shù)（也可稱為脈沖個數(shù)或信號變化的次數(shù)），單位是波特(Baud)。1波特表示數(shù)字通信系統(tǒng)每秒傳輸一個碼元。這里的碼元可以是二進制的，也可以是多進制的。但是碼元速率與進制數(shù)無關。

2）信息速率，也稱比特率，它表示單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)亩M制碼元個數(shù)（即比特數(shù)），單位是波特/s。

帶寬原指信號具有的頻帶寬度，單位是赫茲。在實際網(wǎng)絡中，由于數(shù)據(jù)率是信道最重要的指標之一，而帶寬與數(shù)據(jù)率存在數(shù)值上的互換關系，因此常用來表示網(wǎng)絡的通信線路所能傳輸數(shù)據(jù)的能力。因此，帶寬表示單位時間內(nèi)從網(wǎng)絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”，此時單位是b/s。

2.奈奎斯特定理與香農(nóng)定理

1.奈奎斯特定理
奈奎斯特定理又稱奈氏準則，它指出在理想低通（沒有噪聲、帶寬有限）的信道中，極限碼元速率為2W波特，其中W是理想低通信道的帶寬，單位是Hz。若用V表示每個碼元離散電平的數(shù)目（碼元的離散電平數(shù)目是指有多少種不同的碼元），則極限數(shù)據(jù)率為
$$理想低通信道下的極限數(shù)據(jù)傳輸率=2Wlo{g}_{2}V(b/s)$$

比如有16種不同的碼元，即V=16，需要$lo{g}_{2}16=4$位二進制位，因此數(shù)據(jù)傳輸率是碼元傳輸率的4倍。

奈氏準則得出以下結(jié)論

奈奎斯特定理

1）在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的，若超過此上限會出現(xiàn)碼間串擾問題

2）信道的頻帶越寬（即通過的信號高頻分量越多），就可用更高的速率進行碼元的有效傳輸。

3）未對信息傳輸速率給出限制

由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，就必須設法使每個碼元攜帶更多個比特的信息量，此時就需要采用多元制的調(diào)制方法。
2.香農(nóng)定理
香農(nóng)定理給出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率，當用此速率進行傳輸時，可以做到不產(chǎn)生誤差。香農(nóng)定理的定義為
$$信道的極限傳輸數(shù)據(jù)率=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})(b/s)$$
式中，W為信道的帶寬，S為信道所傳輸信號的平均功率，N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。S/N為信噪比，即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比。

對于香農(nóng)定理，可以得出以下結(jié)論：

香農(nóng)定理

1）信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高

2）對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限是確定的

3）只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就能找到某種方法來實現(xiàn)無差錯傳輸

4）香農(nóng)定理得出的是極限信息速率，實際上信道能達到的傳輸速率要比它低不少

3.編碼與調(diào)制

數(shù)據(jù)無論是數(shù)字的還是模擬的，為了傳輸?shù)哪康亩急仨氜D(zhuǎn)變成信號。把數(shù)據(jù)變換為模擬信號的過程稱為調(diào)制，把數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號的過程稱為編碼。
分為四種情況
1.數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

2.數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號
數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制技術在發(fā)送端將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數(shù)字信號，分別對應于調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)過程。

3.模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

4.模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號

4.電路交換、報文交換與分組交換

1.電路交換
在進行數(shù)據(jù)傳輸前，兩個結(jié)點之間必須先建立一條專用（雙方獨占）的物理通信路徑，該路徑可能經(jīng)過許多中間結(jié)點。這一路徑在整個數(shù)據(jù)傳輸期間一直被獨占，直到通信結(jié)束后才被釋放。因此電路交換包括三個階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。

2.報文交換
數(shù)據(jù)交換的單位是報文，報文攜帶有目標地址、源地址等信息。報文交換在交換結(jié)點采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式。報文交換主要使用在早期的電報通信網(wǎng)中，現(xiàn)在較少使用，通常倍較先進的分組交換方式代替。

3.分組交換
分組交換和報文交換一樣，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，但是解決了報文交換中大報文傳輸?shù)膯栴}。分組交換限制了每次傳送數(shù)據(jù)塊大小的上限，把大的數(shù)據(jù)塊劃分為合理的小數(shù)據(jù)塊，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和編號信息等）構(gòu)成分組（packet）。網(wǎng)絡結(jié)點根據(jù)控制信息把分組送到下一結(jié)點，下一結(jié)點接收到分組后，暫時保存并排隊等待傳輸，然后根據(jù)分組控制信息選擇它的下一個結(jié)點，直到到達目的結(jié)點。

5.數(shù)據(jù)報與虛電路

分組交換根據(jù)其通信子網(wǎng)向端點系統(tǒng)提供的服務，可以進一步分為面向連接的虛電路方式和無連接的數(shù)據(jù)報方式。這兩種服務方式都是由網(wǎng)絡層提供的。要注意的是：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式是分組交換的兩種方式。

1.數(shù)據(jù)報
端系統(tǒng)發(fā)送一個報文時，在端系統(tǒng)中實現(xiàn)的高層協(xié)議先把報文拆成若干帶有序號的數(shù)據(jù)單元，并在網(wǎng)絡層加上地址等控制信息后形成數(shù)據(jù)報分組（也就是網(wǎng)絡層PDU）。中間結(jié)點存儲分組很短一段時間，找到最佳路由后，盡快轉(zhuǎn)發(fā)每個分組。不同的分組可走不同的路徑，也可以按照不同的順序到達目的結(jié)點。

數(shù)據(jù)報服務的特點

2虛電路
在分組發(fā)送之前，要求雙發(fā)建立一條邏輯上相連的虛電路，并且一旦建立，就固定了虛電路所對應的物理路徑。整個通信過程分為三個階段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸與虛電路釋放。在虛電路方式中，端系統(tǒng)每次建立虛電路時，選擇一個未用過的虛電路號分配給該虛電路，以區(qū)別于本系統(tǒng)中其他虛電路。

虛電路方式的特點

數(shù)據(jù)報服務和虛電路服務的比較

數(shù)據(jù)報服務虛電路服務

連接的建立	不需要	必須有
目的地址	每個分組都有完整的目的地址	僅在建立連接階段使用，之后每個分組使用長度較短的虛電路號
路由選擇	每個分組獨立地進行路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)	屬于同一條虛電路的分組按照同一路由轉(zhuǎn)發(fā)
分組順序	不保證分組的有序到達	保證分組的有序到達
可靠性	不保證可靠通信，可靠性由用戶主機來保證	可靠性由網(wǎng)絡保證
對網(wǎng)絡故障的適應性	出故障的結(jié)點丟失分組，其他分組路徑選擇發(fā)生變化時可以正常傳輸	所有經(jīng)過故障結(jié)點的虛電路均不能正常工作
差錯處理和流量控制	由用戶主機進行流量控制，不保證數(shù)據(jù)報的可靠性	可由分組交換網(wǎng)負責，也可由用戶主機負責

二 傳輸介質(zhì)

1.雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)也稱為傳輸媒體，它是發(fā)送設備和接收設備之間的物理通路。
1.雙絞線
2.同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)導體、絕緣層、網(wǎng)狀編織屏蔽層和塑料外層構(gòu)成。同軸電纜通常分為兩類：50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜，其中50Ω主要用于傳送基帶數(shù)字信號，又稱為基帶同軸電纜，在局域網(wǎng)中應用廣泛。75Ω主要用于傳送寬帶信號，又稱為寬帶同軸電纜，主要用于有線電視系統(tǒng)。

由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有良好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)，其傳輸距離更遠，但是價格較雙絞線貴。

3.光纖
光纖通信原理是光的全反射。
多模光纖：從不同角度入射的多束光線可在一條光纖中傳輸，這種光纖稱為多模光纖，多模光纖的光源為發(fā)光二極管。多模光纖只適用于近距離傳輸。

單模光纖：光纖的直徑減小到僅有一個光波長度時，光纖就像一根波導一樣，可使光線沿直線傳播，不會產(chǎn)生多次反射，這樣的光纖稱為單模光纖。單模光纖的光源采用定向性好的激光，適合遠距離傳輸。

4.無線通信介質(zhì)

2.物理層接口的特性

物理層考慮的是如何在連接到各臺計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不指具體的傳輸媒體。物理層應盡可能屏蔽各種物理設備的差異，使數(shù)據(jù)鏈路層只需考慮本層的協(xié)議和服務。物理層的主要任務可以描述為確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性：

特性描述

1）機械特性	主要定義物理連接的邊界點，即接插裝置。規(guī)定物理連接時所采用的規(guī)格、引線的數(shù)目、引腳的數(shù)量和排列情況等
2）電氣特性	規(guī)定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等
3）功能特性	指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義，接口部件的信號線的用途
4）規(guī)程特性	主要定義各條物理線路的工作規(guī)程和時序關系

常用的物理層接口標準有

物理層接口標準

EIA RS-232-C

ADSL

SONET/SDH

三 物理層設備

1.中繼器

中繼器又稱轉(zhuǎn)發(fā)器，主要功能時將信號整形并放大，以消除信號經(jīng)過一長段電纜后，因噪聲或其他原因造成的失真和衰減，使信號的波形和強度達到所需要的要求，進而擴大網(wǎng)絡傳輸?shù)木嚯x。其原理使信號再生（而不是簡單地將信號放大）。

中繼器有兩個端口，數(shù)據(jù)從一個端口輸入，再從另一個端口發(fā)出。端口僅作用于信號的電氣部分(比如電壓高低)，而不管數(shù)據(jù)中是否有錯誤數(shù)據(jù)或不適用于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。

中繼器使局域網(wǎng)環(huán)境下用來擴大網(wǎng)絡規(guī)模的最簡單的、最廉價的互聯(lián)設備。使用中繼器連接的幾個網(wǎng)段仍然是一個局域網(wǎng)。但是由于中繼器工作在物理層，因此它不能連接兩個具有不同速率的局域網(wǎng)，中繼器兩端的網(wǎng)絡部分是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)。

“5-4-3規(guī)則”：在采用粗同軸電纜的10BASE5 以太網(wǎng)規(guī)范中，互相串聯(lián)的中繼器的個數(shù)不能超過4個，而且用4個中繼器串聯(lián)的5段通信介質(zhì)中只有3段可以掛接計算機，其余兩端只能用作擴展通信范圍的鏈路段，不能直接掛接計算機。簡記為：3段掛接計算機-4個中繼器-5段通信介質(zhì)

2.集線器

集線器（Hub）實質(zhì)上是一個多端口的中繼器，它也工作在物理層。當集線器工作時，一個端口接收到數(shù)據(jù)信號好，由于信號在從端口到集線器的傳輸過程中已有衰減，所以集線器便將該信號進行整形放大，使之再生到發(fā)送時的狀態(tài)，緊接著轉(zhuǎn)發(fā)到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態(tài)的端口。

參考資料
計算機網(wǎng)絡考研復習指導-王道

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第二章-物理层的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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