【计算机网络】【王道笔记】第二章 物理层

2 物理层

2.1.1 物理层的基本概念

物理层基本概念

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

主要任务：定义标准，确定与传输媒体接口有关的一些特性

特性：

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、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

例如：

3. 功能特性：指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

4. 规程特性/过程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

2.1.2 数据通信基础知识

典型的数据通信模型

相关术语

通信目的：传送消息

• 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列

• 信号：数据的电气/电磁表现，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

    

  • 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：接收数据的终点

• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某方向传送信息的介质

  • 一条通信线路包括一条发送信道和一条接收信道

  

通信方式（3种）

单工通信

只有一个方向的通信而没有反方向的交互 仅需一条信道

半双工通信

通信的双方都可以发送/接收信息，但任何一方不能同时发送&接收 需要两条信道

• 可调换 但不能同时

全双工通信

可以同时发送和接收信息 需要两条信道

数据传输方式（2种）

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
  • 常用于计算机内部

2.1.3 码元 波特 速率 带宽

码元

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计量单位

• 时长内的信号 - k进制码元
• 该时长 - 码元宽度

码元 波特 带宽

速率/数据率：数据的传输速率（单位时间内传输的数据量）

• 可以用 码元传输速率 & 信息传输速率 表示

码元传输速率

1s传输多少个码元

• 图中都是5码元/s

信息传输速率

1s传输多少个比特

带宽

表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”

• 表示网络的通信线路所能传输数据的能力

• 单位：b/s

奈氏准则 香农定理

失真

信号发生扭曲和变化

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

码间串扰

传的太快了，码元间的分割不明显

奈氏准则

在理想低通（无噪声 带宽受限）的条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud

​ （W - 信道带宽（单位Hz））

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。
   • 若超过上限，则出现严重的码间串扰
2. 信道的频带（最高-最低）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的有效传输
3. 奈氏准则只给出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. 多元制调制方法
   • 提高数据传输速率 – 设法使每个码元能携带更多个比特的信息量

香农定理

• 信噪比dB：信号的平均功率/噪声的平均功率
  • 常记为S/N
  • 度量单位：dB
  • 信噪比$dB=10{\text{log}}_{10}(S/N)$​

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。

信道极限数据传输速率$=W{\text{log}}_2(1+S/N)$​(b/s)

对比

算完后两个取最小值

2.1.5 编码与调制

基带信号&宽带信号

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）

• 来自信源
• 直接表达了要传输的信息的信号
• 距离近（衰减小）

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，再传输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
• 距离大

编码与调制

数据 -> 数字信号：编码

数据 -> 模拟信号：调制

数字数据编码为数字信号

非归零编码 NRZ

高1低0

• 没有检错功能
• 无法判断一个码元的开始和结束
• 收发双方难以同步

归零编码 RZ

一个码元内都要恢复到0

• 信道利用率小

反向不归零编码 NRZI

翻0不变1

• 一个码元内不变

曼彻斯特编码

优秀！

前低后高0 前高后低1

• 位中间的跳变可作为时钟信号/数据信号

• 占的频带宽度是原始的基带宽度的**两倍**

  • 码元传输速率 = 2*比特传输速率

差分曼彻斯特编码

同1异0

• 抗干扰性强与曼彻斯特编码

4B/5B编码

额外插入比特来打破连续0/1

• 编码效率为80%

数字数据调制为模拟信号

发送端：数字信号 -> 模拟信号（调制）

接收端：模拟信号 -> 数字信号（解调）

调相：一个正弦 一个余弦

调幅+调相（QAM）

模拟数据编码为数字信号

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（音频数字化）

• 脉码调制 PCM

  • 最高保真水平
  • 对音频信号进行编码

• 步骤：

  1. 抽样：对模拟信号周期性扫描

     • 时间上连续的信号 -> 时间上离散的信号

     • 采样定理：
       $$2f_{\text{信号最高频率}}\le f_{\text{采样频率}}$$

  2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整

     • 连续的电平幅值 -> 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

提高频率

• 利用频分复用
• 充分利用带宽

2.2 物理层传输介质

传输介质及分类

传输介质/传输媒体/传输媒介：数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

不是物理层 在物理层下面

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【火车】

双绞线

两根采用一定规则并排绞合、相互绝缘的铜导线

• 古老、常用
• 传递电脉冲

同轴电缆

• 抗干扰性强
• 传输距离更远
• 贵
• 传递电脉冲

光纤

• 传输光脉冲
• 有脉冲 - 1；无脉冲 - 0

由纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯传导

1. 传输损耗小，中继距离长，远距离经济
2. 抗雷电/电磁干扰
3. 无串音干扰，保密性好，不易呗窃听或截取数据
4. 体积小，重量轻

非导向性传输介质

• 自由空间
• 介质可以是空气、真空、海水……

无线电波

信号向所有方向传播

• 穿透能力较强
• 通信领域

微波

信号沿固定方向传播

• 频率高
• 频段范围宽
• 数据率高

地面微波接力通信

卫星通信

• 优点：

  • 通信容量大
  • 距离远
  • 覆盖广
  • 广播通信和多址通信

• 缺点：

  • 传播时延长 250-270ms
  • 受气候影响大（强风太阳黑子爆发、日凌）
  • 误码率高
  • 成本高

红外线 激光

传输信号分别转为各自的格式

2.3 物理层设备

中继器

再生数字信号

• 对信号进行再生和还原 保持与原数据相同
• 两端的网络部分是网段，而非子网

5-4-3规则

对信号延迟范围作了具体规定

集线器（多口中继器）

再生，放大，转发信号（本质：还原&再生）

• 不具备定向传送能力 是共享式设备

• 不能分割冲突域
  • 连在集线器上的工作主机平分带宽

总结