计算机网络物理层第一章物理层详解

物理层

物理层的基本概念

物理层解决如何在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

• 物理层的主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性

物理层定义的一些特性

1. 机械特性:定义物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格,接口形状,引数条目,引脚数量和排列情况
2. 电气特性:规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围,阻抗匹配,传输速率和距离限制.
   • 某网络在物理层规定,信号的电平用+10V_{+15V表示二进制0,用-10V}-15V表示二进制的1,电线长度限于15m以内
3. 功能特性:指明某条线上出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线用途
   • 描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义
4. 规程特性:(过程特性)定义各条物理线路的工作规格和时序关系

1.通信基础

典型的数据通信模型:

数据通信相关术语:

• 数据通信的目的:为了传送消息.
• 数据:传送消息的实体,通常是有意义的符号序列
• 信号:数据的电气/电磁的表现,是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
  • 模拟信号:代表消息的参数取值是连续的.
• 信源:产生和发送数据的源头
• 信宿:接受数据的终点.
• 信道:信号的传输媒.一般用来表示向一个方向传送信号的介质,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(是有方向的)
  • 分类:
    • 按照传输信号可分为:
    1. 模拟信道:传送模拟信号
    2. 数字信道:传送数字信号
    • 按照传输介质:
      1. 无线信道
      2. 有线信道

三种通信方式:

从通信双方信息的交互方式看,可以有三种基本方式:

1. 单工信道:只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道
2. 半双工通信:通信的双方都可以发送或接受信息,但任何一方都不能同时发送和接受需要两条信道.
3. 全双工通信:通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道

两种数据传输方式:

1. 单行传输:速度慢,费用低,适合远距离
2. 并行传输:速度快,费用高,适合近距离.例如:打印机,扫描仪

单行传输只需要一条信道,并行传输是多条信道同时传输比特流,因此需要多条信道.

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的基本单位,这个时长内的信号称为k进制码元,而该时长称为码元宽度.当码元的离散状态有M个时(M大于2),此时码元为M进制码元.

1码元可以携带多个比特的信息量.例如,在使用二进制编码时,只有两种不同的码元:一种代表0状态,一种代表1状态.

速率.波特和带宽

速率:也叫数据率,是指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量.可以用码元传输速率和信号传输速率表示

码元传输速率:别名码元速率.波形速率.调制速率.符号速率等.他表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数),单位是波特.(Baud)1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元.这里码元可以是多进制的,也可以是二进制的,但码元速率和进制数无关.(1s传输多少个码元)

信息的传输速率:别名信息速率.比特率等,表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(bit/s).一秒能传输多少个比特.

关系:假如说一个码元携带n bit的信息,则M Baud的码元传输速率对应的信息传输速率是:n*M bit/s.

带宽:带宽指的是在单位时间内从网络中的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.

• 提问那个系统的传输速率更快?

系统传输的是比特流,通常比较的是信息传输速率.

2.两个公式

失真

在实际信道传输数据过程中,由于带宽受限,有噪声,有干扰,会导致发送信号的波形发生变化就叫失真

影响失真程度的因素:

1. 码元的传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

失真的一种现象-------码间串扰

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

注意区分信号带宽和信道带宽.

奈氏准则(奈奎斯特定理)

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,极限码元传输速率为2w Baud,w是信道带宽,单位是hz

$理想低通信道下的极限数据传输率= 2Wlog_2{V} \\ 注:W指的是带宽,V指的是几种码元/码元的离散电平数目$

1. 在任何信道中,码元传输的速率是有上限的.若传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰,使接收端对于码元的完全正确识别成为不可能
2. 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多),就可以用更高的速率进行码元间的有效传输.
3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但并没有对信息传输速率给出限制.
4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约,所以要提高数据的传输速率,就必须使每个码元能够携带更多个比特的信息量,这就需要采用多元制的调制方法.

做一个题

在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少?
$答:信号有4×4=16种变化(调相和调幅结合在一起) \\最大数据传输率 = 2×3k×4=24kb/s$

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中.由于噪声随机产生,它的瞬时值有时会很大,因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误.但是噪声的影响是相对的,若信号较强,那么噪声相对较小因此,信噪比就很重要.

信噪比公式

信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率,常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位,即:
$信噪比(dB)= 10 log_{10}{(S/N)}$

香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值.
$信道的极限数据传输速率=Wlog_2{(1+S/N)}\\ S/N表示信噪比\\ 注意:在香农定理中我们用的是信噪比,而不是分贝,如果题目中给出的噪声是分贝的化,要使用信噪比公式进行转化$

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率越高
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就一定能找到某种方法实现无差错的传输
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率,实际信道传输速率要比它低不少
5. 从香农定理可以看出,若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能),那么信息传输速率也就没有上限.

做一道题

电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,则该系统最大数据传输速率是多少?
$答:30dB=10log_{10}{S/N} \\求出S/N=1000 信道的极限数据传输速率=Wlog_2{(1+S/N)}=3000×log_2{(1+1000)}≈30kb/s$

怎么区别"Nice"和"香浓"

奈氏准则	香农定理
内忧	外患
带宽受限无噪声条件下,为了避免码间串扰,码元传输速率的上限为2W Baud	带宽受限有噪声的条件下的信息传输速率
理想低通信道下的极限数据传输率	信道的极限数据传输率
要想提高数据率,就要提高带宽/采用更好的编码技术	想要提高数据率,就要想办法提高带宽/信噪比
一般情况下没有噪声条件下使用(表述不全面,要分情况的)	一般情况下有噪声条件下使用(表述不全面,要分情况的)

做一道题

二进制信号在信噪比为127:1的4kHz信道上传输,最大的数据速率可达到多少?

这种情况下,我们需要把两个准则都算一下,取最小值.
$答:分析:二进制信号,即是指2种码元信号\\ 1.根据奈氏准则公式=2Wlog_2{V}\\ 得:最大数据速率=2×4000×log_2{2}=8000b/s \\2.根据香农定理=W10log_2{(1+S/N)}得: \\最大的数据速率=4000×log_2{(1+127)}=28000b/s \\所以最大数据速率为8000b/s$

3.编码和调制

基带信号与宽带信号

信道;信号的传输媒介.一般用来表示向某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收信道.

信道的分类:

1. 根据传输信号分:
   1. 模拟信道:传送模拟信号
   2. 数字信道:传送数字信号
2. 传输介质分:
   1. 无线信道
   2. 有线信道

基带信号和宽带信号其实就是信道上传输的两种形式

信道上传送的信号的分类:

1. 基带信号:将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上传输(基带传输)
   • 基带信号就是来自信源的信号,像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号.基带信号就是faculty的直接表达了要传输的信息的信号,比如我们说话的声波就是基带信号.(基带信号可以是模拟信号也可以是数字信号,模拟信号比如我们说话的声波,在计算机中计算机发出的是数字信号)
2. 宽带信号:将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)
   • 把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅能在一段频率范围内能够通过信道)

在传输距离近时,计算机网络采用基带传输方式(距离近,衰减少,从而信号内容不容易发生改变)

在传输距离远时,计算机网络曹勇宽带传输方式(距离远,衰减大,经过调制后即使信号变化大,也能过滤出来基带信号)

编码与调制

不论我们的数据在传输过程中是怎么样的,只要是要进行传输,我们就需要使用到编码和调制的手段把数据变为信号.

数字数据------使用数字发送器------>数字信号 :编码的手段

数字数据------使用调制器------>模拟信号 调制的手段

模拟数据------使用PCM编码器------>数字信号 :编码的手段

模拟数据------放大器.调制器------>模拟信号 调制的手段

数字数据编码为数字信号

计算机发送的数据都是0101的序列的数字数据,要想数字数据能够在计算机中传输,就需要将数字数据编码为数字信号.

数字数据的传输用基带传输的方式:既是指基本不改变数字信号的频率 ,直接传输数据

1. 非归零编码:高1低0,编码容易,但是没有检错功能,且无法判断一个码元的开始和结束,以至于手法双方河南保持同步
2. 曼彻斯特编码:将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示1,码元0则正好相反.也可以采用相反的额规定.该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳转,位中间的跳转即作为时钟信号(可用于同步,又做数据信号,但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍),每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2.
3. 差分曼彻斯特编码:同1异0,常用于局域网传输其规则是:若码元为1,则前半个码元的电平相同,若为0,则相反.该编码的特点是,在每个码元的中间,都有一次电平的跳转,可以实现自同步,且抗干扰性强于曼彻斯特编码
4. 归零编码:信号电平在一个码元之内都要恢复到0的编码方式
5. 反向不归零编码:信号电平翻转表示0,信号电平不变表示1
6. 4B/5B编码:比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1,就是5个比特来编码4个比特的数据,之后再传给接收方,因此成为4B/5B.编码效率为80%

非归零编码.归零编码.反向不归零编码在传输数据时,尤其是传输全0或者全1的数据时,很难保证发送端和接收端的同步,往往需要另外一条信道来建立时钟信号.

之后的曼彻斯特编码:可以实现自同步,接收端能够自己提取信号,计算每个时钟周期是多少

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号,而在接收端将模拟信号还原为数字信号,分别对应于调制解调器的调制和解调过程

• 调幅
• 调频
• 调相
• 调幅+调相

模拟信号编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据.处理的都是数字音频,所以需要将模拟音频通过采样.量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉冲调制(PCM),在计算机应用中,能够达到最高保真水平的就是PCM编码,被广泛用于素材保存和音乐欣赏,CD.DD以及我们常见的WAV文件中均有应用.它主要包括三步:抽样.量化.编码.

1. 抽样:对模拟信号周期性进行扫描把时间上连续的信号变成时间上离散的信号.为了使所得的离散信号能无失真的代表被抽样的模拟数据,要使用采样定理进行采样.
   $采样定理:f_{采样频率}>=2f_{信号最高频率}$

2. 量化:把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标准转化为相应的数字值,并取整数,这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量

3. 编码:把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性,可能需要较高的频率.这种调制方式还可以使用频分复用技术,充分利用带宽资源.在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式:模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的.

例如:人使用喇叭

4.传输介质

传输媒介也称传输媒体/传输媒介,它就是数据传输系统中在发送设备和接受设备之间的物理通路.

传输媒体并不是物理层,传输媒体在物理层的下面因为物理层是计算机网络体系结构的第一层,因此有时称传输媒体为第0层.在传输媒体中传输的是信号,但是传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思.但物理层规定了电气特性,因此能够识别所传送的比特流.

分类:

1. 导向性传输介质:电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播 比如:火车
2. 非导向传输介质:自由空间,介质可以是空气,真空,海水 比如:飞机

导向性传输介质----1.双绞线

它采用一定规则并排胶合,相互绝缘的铜导线组成

可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线

特点:双绞线价格便宜,是最常用的传输介质之一,在局域网和传统电话网中普遍使用.模拟传输和数字传输都可以使用双绞线,其通信的距离一般为几公里到数十公里,距离太远时,对于模拟传输,要用放大器放大衰减的信号,;对于数字传输,要用中继器将失真的信号整型

导向性传输介质----2.同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线.绝缘层.网状编织屏蔽层和塑料外层构成.按特性阻抗数值的不同通常将同轴电缆分为两类:50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆.其中50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号,又称为基带同轴电缆,

在局域网中得到广泛的应用;75Ω同轴电缆主要用于传送宽度信号,又称为宽带同轴电缆,它主要用于有线电视系统

同轴电缆和双绞线

由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆抗干扰特性比双绞线好,被广泛应用于传输较高速率的数据其((传输距离**也更远,但价格也更昂贵.

导向性传输介质----3.光纤

光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信.有光脉冲表示1,无光脉冲表示0,而可见光的频率大约是 10^8MHz,因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽.

光纤在发送端有光源,可以采用发光二极管或者半导体激光器,他们在电脉冲作用下能产生出光脉冲,在接收端使用光电二极管做成光电检测器,在检测到光脉冲时可还原出电脉冲.

类别	定义	光源	特点
单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的光纤	定向很好的激光二极管	衰耗小,社和远距离传输
多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	发光二极管	易失真,适合近距离传输

光纤的特点

1. 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济
2. 抗雷电和电磁干扰性能好
3. 无串音干扰,保密性还,也不易被窃听或者窃取数据
4. 体积小,重量轻

非导向性传输介质

分类:

1. 无线电波:较强穿透能力,可传远距离,广泛用于通信领域
2. 微波:信号固定方向传播,微波通信频率较高,频段范围宽,因此数据率很高
3. 红外线.激光.信号固定方向传播

5.物理层设备

中继器

诞生原因:由于存在损耗,在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度就造成了信号失真,一次会导致接收错误

中继器功能:

对信号进行再生和还原,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同,以增加信号传输的距离,延长网络的长度

中继器的两端

两端的网络部分是网段,不是子网,适用于完全相同的两类网络的互连,且两个网段速率相同,中继器只将任何电缆段上的数据发送带另一端电缆上,它仅作用于信号的电气部分,并不管数据中是否有错误数据或者不适用网段的数据.

两端可连接相同的媒体,也可连接不同的媒体

中继器两端的网段一定要是同一个协议

5-4-3规则

网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定,因而中继器只能在规定的范围内进行,否则会网络故障.

5个网段 4个媒体 3个端口

集线器(多口中继器)

集线器的功能

对信号进行再生放大转发,对衰减的信号进行方法,接着转发到其他所有(输了输入端口外),处于工作状态的端口上,以增加信号传输的距离,延长网络的长度,不具备信号的定向传送能力,是一个共享的设备.

集线器不能分隔冲突域------------>连接集线器上的工作主机平分带宽.

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