コンピュータネットワークの概要 - 物理層

この記事は、レイク科学技術大学のコンピュータネットワークマイクロ教室の物理層に関するメモをまとめたものであり、皆様のお役に立てば幸いです。
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2.1 物理層の基本概念

物理層が解決すべき問題は、さまざまな伝送媒体上で0と1のビットストリームの伝送をどのように実現し、データリンク層に透過的にビットストリームを伝送するサービスを提供するかということである。
コンピュータネットワークでは、さまざまなネットワークデバイスを接続するために多数のメディアが使用されます。メディアは大きく 2 つのカテゴリに分類できます。

.物理層さまざまな伝送メディアでビット 0 と 1 を伝送する問題を解決するために、主なタスクには次の 4 つの側面があります。
- 機械的特性: インターフェースに使用されるコネクタの形状とサイズ、ピンの数と配置、固定およびロック装置を指定します。
- 電気的特性: インターフェイスケーブルのさまざまなラインに現れる電圧の範囲を示します。
- 機能特性: 特定のラインに現れる特定のレベルの電圧の意味を示します。
- プロセスの特性: さまざまな機能について考えられるさまざまなイベントの発生順序を示します。
伝送媒体の種類（ツイストペア、光ファイバーなど）や物理的な接続方法（ポイントツーポイント接続、ブロードキャスト接続など）が多いため、物理層プロトコルの種類も多くなりますが、それぞれの物理層プロトコルには上記の4つのタスクの具体的な内容が含まれている必要があります。

2.2 物理層以下の伝送メディア

伝送媒体は、伝送媒体、伝送媒体とも呼ばれる。伝送媒体は、コンピュータネットワーク上のデータ伝送における送信者と受信者の間の経路です。
伝送メディアは、ガイド付き伝送メディアとガイドなし伝送メディアの 2 つのカテゴリに分類できます。
伝送媒体はコンピュータネットワークアーキテクチャのどの層にも属さず、アーキテクチャに追加する必要がある場合は、物理層の下に配置する必要があることに注意してください。

2.2.1 ガイド付き伝送メディア

誘導伝送媒体では、電磁波は固定媒体に沿って誘導されます。
一般的なガイド付き伝送媒体には、同軸ケーブル、ツイストペア、光ファイバー、電力線などがあります。

(1) 同軸ケーブル：

(2) ツイストペア:

(3) 光ファイバー：

伝送原理:

マルチモードファイバーとシングルモードファイバー:

(4) 電源ライン:

電力線は新しいテクノロジーではなく、信号の送信に電力線を使用した最も古い例は電力線電話です。
ホームに高性能のローカルエリアネットワークを構築したい場合、伝送媒体として電力線を使用するだけでは要件を満たすことができません。

2.2.2 ガイドなしの伝送メディア

無誘導伝送メディア。自由空間とも呼ばれます。データ情報は、自由空間における電磁波の伝播によって送信されます。
一般的な非ガイド伝送媒体には、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線などがあります。
電気通信で使用される電磁波のスペクトル:

電波:

国際放送、海空通信、ラジオ放送、テレビ放送などに。
電波の低周波帯と中周波帯は主に地上波を利用して伝送されます。高周波と超高周波は主に電離層の反射に依存します。

電子レンジ:

無線電話、無線ネットワーク、レーダー、人工衛星受信、電波天文学、人体スキャンなどに使用されます。
マイクロ波は主に空間を直線的に伝播します。マイクロ波は電離層を突き抜けて宇宙空間に進入できるため、電波のように電離層で反射して地上の遠くまで広がることはありません。
マイクロ波通信には主に 2 つの方法があります。
- 地上マイクロ波中継通信
- 衛星通信

赤外線:

テレビやエアコンのリモコンなどのデータ送信には赤外線を利用します。
赤外線通信はポイントツーポイントの無線伝送に属し、途中に障害物がなく、伝送距離が短く、伝送速度が低くなります。

可視光線：

LIFI テクノロジーは、LED ライトを 1 秒間に数千万回切り替えることで光信号を変調し、データ伝送を実現します。
まだ実験研究の段階です。

2.3 送信方法

シリアル転送とパラレル転送
同期転送と非同期転送
単信、半二重、全二重通信

2.3.1 シリアル伝送とパラレル伝送

シリアル送信：データを1ビットずつ送信します。
パラレル送信: データは一度に n ビットずつ送信されます。メリットは通信速度が速いことですが、デメリットはコストが高いことです。

コンピュータネットワークでは、並列処理のコストが高くなるため、データは通常シリアルに転送されます。コンピュータでは通常パラレル伝送方式（例えばCPUとメモリ間ではバスを介してデータが伝送され、共通のデータバス幅は8ビット、16ビット、32ビット、64ビット）となります。

2.3.2 同期送信と非同期送信

同期送信:データブロックは、バイト間にギャップのない安定したビットストリームで送信されます。

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受信側は各ビット信号の中間時点を検出して、受信した信号がビット 0 であるかビット 1 であるかを判断します。

機器ごとのクロック周波数の違いにより、大量のデータを送信する過程では、識別によって発生する累積時間により受信側でビット信号の識別が狂ってしまうため、送信側と受信側のクロックを同期させる方法を採用する必要があります。

**外部同期:** 送信側と受信側の間に別のクロック信号ラインを追加します。データを送信しながら、送信側は別のクロック同期信号を送信し、受信側はクロック同期信号のリズムに従ってデータを受信します。

**内部同期:** 送信側はクロック同期信号をデータにエンコードし、一緒に送信します。たとえば、従来のイーサネットはマンチェスターエンコーディングを使用します。

アシンクロナス伝送：データブロックをバイト単位で伝送します。

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**ここでの非同期とは、バイト間の非同期を指します。**つまり、バイト間の時間間隔が固定されていません。ただし、バイト内の各ビットは同期している必要があります (各ビットの持続時間は同じ)。

受信機は、各バイトの先頭でのみ各バイト内のビットを同期します。これを行うには、各バイトの前後に開始ビットと終了ビットを追加する必要があります。

2.3.3 シンプレックス、半二重、および全二重

シンプレックス: 一方向通信とも呼ばれ、通信当事者は無線などの 1 つのデータ送信方向のみを持ちます。
半二重: 双方向交互通信とも呼ばれ、通信当事者は相互にデータを送信できますが、トランシーバーのように同時には送信できません。
デュプレックス: 双方向同時通信とも呼ばれ、携帯電話など、通信の双方が同時に情報を送受信できます。

単信通信にはチャネルが 1 つだけ必要ですが、半二重通信と二重通信には 2 つのチャネル (各方向に 1 つ) が必要です。

2.4 符号化と変調

2.4.1 以前の概念:

データ通信システムのモデル:

データ: 送信される情報。
信号: データの電磁的または電気的表現。デジタル信号（離散）とアナログ信号（連続）に分けることができます。

コンピュータネットワークでは、コンピュータはデータをビットストリームに処理し、伝送媒体に送信する前にそのビットストリームをデジタルまたはアナログ信号に変換します。

したがって、この概要では、ビットストリーム、デジタル信号、アナログ信号に関する知識について説明します。

ソースから送信される元の電気信号はベースバンド信号と呼ばれ、ベースバンド信号は 2 つのカテゴリに分類されます。