计算机网络——物理层

小猪皮皮呆
236 阅读5分钟

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

2.1 物理层的基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性

  • 机械特性：（接口是什么样的）指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
  • 电气特性：（用多少伏的电压）指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  • 功能特性：（线路上电瓶电压的特性）指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  • 规程特性：（实现不同功能所发射信号的顺序）指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

  1. 数据通信系统的模型

    image.png

    几个术语：

    • 数据(data)——运送信息的实体。
    • 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现，数据在传输过程中的存在形式。
      • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。image.png
      • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。image.png
    • 信源（原点）：产生和发生数据的源头。
    • 信宿（终点）：接受数据的终点。
    • 信道：信号的传输媒介。一般用来表示摸一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道

  2. 三种通信方式：

    • 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
    • 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
    • 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

  3. 两种数据的传输方式

    • 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离

    • 并行传输：速度快，费用高，适合近距离

image.png

2.3 码原、波特、速率、带宽

  1. 码原：指一用一个固定时长的信号波形

    image.png

  2. 速率：数据传输的速率，单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

    • 码元传输速率：单位时间内传输的码元个数，单位是 波特（Baud）
    • 信息传输速率：单位时间内传输的比特个数，单位是 比特/s
    • 关系：一个码元携带n比特的信息量，则 M Baud 的码元传输速率对应的信息传输速率是 M * n bit/s

  3. 带宽：单位时间内从网络某一点到另一点所能通过的最高数据率，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

习题：

image.png

2.4 奈氏准则、香农定理

  1. 失真

    image.png

    影响失真的因素：

    • 码元传输速率
    • 信号传输距离
    • 噪声干扰
    • 传输媒体质量

  2. 码间串扰

    接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

    image.png

  3. 奈氏准则

    在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率 = 2W Baud，W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)

    image.png

    习题：

    image.png

  4. 香农定律

    在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，最高码元传输速率 = W Baud，W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)

    image.png

2.5 编码和调制

  1. 基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号

    信道：信号的传输媒介。一般用来表示摸一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道

    信道上传送的信号：基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号

    • 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
    • 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

    ps：当距离较近时，信号不容易损失，可以使用基带信号。但是距离较远时，可以将基带信号转换成宽带信号，让其不易损失，到达接收方后再恢复成基带信号。

  2. 编码和调制

    • 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。
    • 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。

    image.png

    image.png

  3. 调制就是进行波形变换（频谱变换）。 最基本的二元制调制方法有以下几种：

    • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
    • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
    • 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

    image.png

2.6 信道复用技术

复用技术指一种在传输路径上综合多路信道，然后回复原机制或解除终端各信道复用技术的过程

  • 频分复用 FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
  • 时分复用 TDM：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
  • 波分复用 WDM：就是光的频分复用。
  • 码分复用 CDM：在同一时间同一频率根据传输的数据码进行区分

2.7 物理层传输介质

传输介质

  • 双绞线
    • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
    • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
    • 制作标准
      • 568B：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕
      • 568A：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕
  • 同轴电缆——淘汰了

image.png

  • 光纤

    • 单模光纤

    • 多模光纤

image.png

  • 无线——无线信号频率 IEEE802.11

2.8 物理层设备

  1. 中继器

    image.png

  2. 集线器（多口中继器）

    image.png

avatar
文章
阅读
粉丝