计算机网络总结——物理层

• 本篇文章是对 湖科大计算机网络微课堂 中物理层的笔记总结，希望对大家有所帮助。
  

2.1物理层的基本概念

• 物理层要解决的问题：如何在各种传输媒体上实现0和1的比特流传输，进而为数据链路层提供透明传输比特流的服务。

• 计算机网络中，用来连接各种网络设备的媒介有很多，大致可以分为两类：

• .物理层为了解决在各种传输媒介上传输比特0和1的问题，主要任务有以下四个方面：

  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
  • 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

  
  由于传输媒体种类较多（双绞线、光纤等），物理连接方式也很多（点对点连接，广播连接等），因此物理层协议种类就比较多，但是每种物理层协议都必须包含上述四个任务的具体内容。

2.2物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称传输媒介或者传输介质。传输媒体是计算机网络数据传输中发送方和接收方之间的通路。

• 传输媒体可分为两类：导引型传输媒体 和 非导引型传输媒体。

• 值得注意的是：传输媒体并不属于计算机网络体系结构中的任何一层，如果非要把它添加到体系结构中，那么只好将它放置到物理层之下。

2.2.1导引型传输媒体

• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固定媒体传播。

• 常见的导引型传输媒体有：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。

（1）同轴电缆：

（2）双绞线：

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（3）光纤：

传输原理：

多模光纤和单模光纤：

（4）电力线：

• 电力线并不是一种新兴技术，应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。
• 如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线作为传输媒体是不能满足要求的。

2.2.2非导引型传输媒体

• 非导引型传输媒体，也叫自由空间。利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。

• 常见的非导引性传输媒体有：无线电波、微波、红外线、可见光。

• 电信领域使用的电磁波的频谱：

  

无线电波：

• 用于国际广播、海事和航空通讯、电台广播、电视广播等。
• 无线电波中的低频和中频频段，主要利用地面波进行传输。而高频和甚高频，主要靠电离层的反射。

微波：

• 用于无线电话、无线网络、雷达、人造卫星接收、射电天文、人体扫描等

• 微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此它不像无线电波一样可以通过电离层反射传播到地面上很远的地方。

• 微波通信主要有两种方式：

  • 地面微波接力通信
    

  • 卫星通信
    

红外线：

• 利用红外线来传输数据，例如电视、空调的遥控器。
• 红外通信属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率低。

可见光：

• LIFI 技术，以每秒开关千万次LED灯来调制光信号，来实现数据传输。
• 目前还处于实验研究阶段。

2.3传输方式

• 串行传输和并行传输
• 同步传输和异步传输
• 单工、半双工和全双工通信

2.3.1串行传输和并行传输

• 串行传输：数据是一个比特一个比特进行发送的。

• 并行传输：数据是一次性发送n个比特。优点是传输速度快，缺点是成本高。

在计算机网络中，数据通常是串行传输，因为并行比较贵。而在计算机内部，通常是并行传输方式（例如CPU与内存之间，通过总线进行数据传输，常见的数据总线宽度有8位，16位，32位，64位）。

2.3.2同步传输和异步传输

• 同步传输：数据块以稳定的比特流进行传输，字节间没有间隔。

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还是比特1。

由于不同设备的时钟频率存在差异，在传输大量数据的过程中，由判别产生的累积时间，会导致接收端对比特信号的判别错位，所以需要采取方法使收发双方的时钟保持同步，主要有两种方法：

**外同步：**在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。发送端在发送数据的同时，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受数据。

**内同步：**发送端将时钟同步信号编码到数据中一起传输。例如传统以太网采用的就是曼彻施特编码。

• 异步传输：数据块以字节为传输单位进行传送。

**这里的异步是指字节之间的异步，**也就是字节之间的时间间隔不固定。但字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间相同）

接收端仅在每个字节的起始处对每个字节内的比特实现同步。为此，需要在每个字节前后加上起始位和结束位。

2.3.3单工、 半双工和全双工

• 单工：又称单向通信，通信双方只有一个数据传输方向，例如收音机
• 半双工：又称双向交替通信，通信双方可以相互传输数据，但是不能同时进行，例如对讲机。
• 双工：又称双向同时通信，通信双方可以同时发送和接受信息，例如手机

单工通信只需要一条信道，而半双工和双工通信都需要两条信道（每个方向各一条）。

2.4编码与调制

2.4.1先置概念：

• 数据通信系统的模型：

• 数据：即要传送的信息。

• 信号：数据的电磁或电气表现。可分为数字信号（离散的）和模拟信号（连续的）。

  在计算机网络中，计算机将数据处理成比特流，然后将比特流转换成数字信号或模拟信号，才能在传输媒介上进行传输。

  所以这一小结要探讨的就是 比特流、数字信号和模拟信号 相关知识。

由信源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号分为两类：

• 数字基带信号：例如计算机内部CPU和内存之间传输的信号。

• 模拟基带信号：例如麦克风收到声音后产生的音频信号。

编码和调制：

2.4.2常用编码方式：

（1）不归零编码

正电平表示1，负电平表示0。没有零电平，所以叫不归零编码。

码元之间的区分需要发送方和接收方做到严格的同步，这就需要额外一根传输线来传输同步时钟信号，接收方按照时钟信号的节拍来逐个接受码元。

然而在计算机网络中并不会为此浪费一根传输线，所以计算机网络并不采用不归零编码。

（2）归零编码

每个码元传输结束后信号都要归零，所以接收方只需要在信号归零后进行采样即可，不需要额外的时钟信号，这称为自同步。

当然这样的后果就是归零编码中的大部分数据带宽都用来传输”归零“而浪费掉了，编码效率低

（3）曼彻施特编码

码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。

传统以太网使用的就是曼彻斯特编码。

正跳变和负跳变表示0还是1，可自行定义。

（4）差分曼彻斯特编码：

中间时刻的跳变仅表示时钟

码元开始处电平是否发生跳变来表示数据，有跳变表示0，没有跳变表示1。

2.4.3调制方法

基本调制方法：

混合调制方法：

一个码元只能表示1个比特信息，想要让一个码元包含更多信息，需要进行混合调制。

频率和相位是相关的，所以一次只能调制频率和相位中的一个，而相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

码元与4个比特的关系采用格雷码，任意两个相邻码元只有1个比特不同。

2.5信道的极限容量

信号在信道上不可避免地产生失真，在输出端很难判断这个信号在什么时候是1，在什么时候是0。

码间串扰：码元之间失去了清晰界限。

产生失真的原因主要有：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量等

**奈氏准则：**在假定的理想情况下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

码元传输速率又称波特率，调制速率，波形速率或符号速率。

波特率和比特率的关系：

• 当一个码元携带一个比特的信息量时，数值上 波特率 = 比特率。
• 当一个码元携带n个比特的信息量时， 数值上 波特率= n*比特率。

要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每个码元携带更多比特信息，这需要采用多元制，上面提到的混合调制就是多元制的一种表现形式。

实际的信道所能传输的最高码元速率，是明显低于奈氏准则所得出的速率，因为这个数值是在理想条件下推导出的。

**香农公式：**推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

公式表明 信道带宽或信道中信噪比越高，信息的传输速率越高。

实际上传输速率要比该公式的速率低不少，因为公式只考虑了信道带宽和信噪比，但事实上还有很多因素（各种脉冲干扰）会影响传输速率。

练习题：