计算机网络-物理层

xcye
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基本概念

传输媒体分类

导引型传输媒体

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤

非导引型传输媒体

  • 微波通信(2-40GHz)

物理层解决的是各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务

这里得“透明”指的是：

数据链路层看不见，也无需看见究竟什么方式传输比特0和1，数据链路层只管享受物理层提供的比特流传输服务就可以了

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物理层为了解决各种传输媒体上传输比特流的问题，主要会从以下4个任务中解决

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物理层的传输媒体和物理链接方式都很多，所以就导致了物理层协议种类多，但是每种物理层的协议都包含 上述四个任务的具体内容

所以物理层解决的是

  1. 物理层考虑的是怎样才能在连接各种汁算机的传输媒体上传输数据比特流。
  2. 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议 和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构中的任何一层

传输媒体分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体

导引型传输媒体

  1. 同轴电缆

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  2. 双绞线

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  3. 光纤

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  4. 电力线

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非导引型传输媒体

  1. 无线电波
  2. 微波
  3. 红外线
  4. 可见光

传输方式

串行传输和并行传输

  • 串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，在发送端和接收端之间，只需要一条传输线路即可

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  • 并行传输：一次发送N个比特而不是一个比特，所以在发送端和接收端之间，需要N条传输线路，并行传输的优点是传输速率为串行传输的N倍，但是成本高

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在计算机与计算机之间，常采用串行传输，在计算机内部，常采用并行传输

同步传输和异步传输

  • 同步传输：数据块以比特流的形式传输，字节之间没有间隔 image-20220629114802361

    接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是1

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    但是由于不同设备的时钟频率存在差异，不可能做到全部相同，在传输大量数据的过程中，产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位，因此需要采取方法使收发双方的时钟保持同步

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    • 保持时钟同步的方法

      1. 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线

        发送端在发送信号的同时，另外发送一路时钟同步信号，接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据

      2. 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(例如曼彻斯特编码)

        传统以太网采用的就是曼彻斯特编码

  • 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

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    接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步，因为通常需要在每个字节的前后加上起始位和结束位

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    异步指的是：字节之间的时间间隔不固定，但是字节中的每个比特任然要同步，各比特的持续时间是相同的

单工，半双工，全双工

单向通信(单工)，双向交替通信(半双工)，双向同时通信(全双工)

  • 单工：通信双方只有一个传输方向(只需要一条信道)

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  • 半双工：通信双方可以相互传输数据，但是不能同时进行(需要两条信道，每个方向各一条)

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  • 全双工：通信双方可以同时发送和接收信息(需要两条信道，每个方向各一条)

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编码与调制

文字，图片，音频，视频等都可以统称为消息，数据是运送消息的实体，计算机中的网卡将比特0和1变换成相应的电信号发送到网线，也就是说，信号是数据的电磁表现。

由信源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号又分为数字基带信号和模拟基带信号，信号需要在信道中传输，信道又可以分为数字信道和模拟信道。

在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码，编码后产生的信号任为数字信号，可以在数字信号中传输，把数字基带的频率范围，搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制，调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输(如WiFi使用补码键控，直接序列扩频，正交频分复等调制方法)，对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法，对模拟基带信号进行编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM，也就是将模拟音频信号，通过采样，量化，编码这三个步骤进行数字化。对模拟信号进行调制的典型应用是，将语音数据加载到模拟的载波信号中传输(如传统的电话)

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码元

在视同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，简单来说，码元就是构成信号的一段波形

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比如上图的第一段波形，我们可以表示比特0或者比特1，这里表示的是比特0

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传输媒体与信道的关系

严格意义上，传输媒体和信道不能直接划等号，对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道，对于半双工和全双工传输来说，传输媒体中包含两个信道，一个发送信道，一个接收信道，如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道

编码

请看www.bilibili.com/video/BV1c4…

信道极限容量

信号在不同的传输信道上传输，信号的波形会发生改变

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比如上图，发送端的是数字信号，当它通过实际的信道后，波形会发生失真，当失真不严重时，在输出端还可以根据已失真的波形还原出发送的码元，但是当失真严重时，在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0。信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰

码元失真因素：

  1. 码元传输速率
  2. 信号传输举例
  3. 噪声干扰
  4. 传输媒体质量

奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的

理想低通信道的最高码元传输速率= 2W Baud= 2W 码元/秒 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W 码元/秒

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上图中的这种调制称为二元调制，只能产生两种不同的码元，也就是两种不同的基本波形，每个码元只能吓呆1比特的信息量

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上图中的调制称为多元调制，可以调制出多种码元

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