【计算机网络】物理层

1.物理层的基本概念

1.1物理层主要目的

物理层主要目的→解决如何连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
注意： 物理层不是指具体的传输媒体

1.2物理层主要任务

物理层主要任务→确定与传输媒体的接口有关的一些特征→定义标准

• a.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，引线数目，引脚数量和排列情况

• b.电气特性：
  规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围，抗阻匹配，传输速率和距离限制等

eg：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1，电线长度限于15m以内

• c.功能特性：
  指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途

eg：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义

• d.过程特性：
  定义各条物理线路的工作规程和时序关系

2.数据通信的基础知识

2.1典型的数据通信模型

①.源系统→包括信源和发送器；

②.传输系统→可能是简单的传输线也可能是复杂的网络系统；

③.目的系统→接收器和信宿；

2.2数据通信相关术语

• 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
  

• 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计量单位，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，另一种代表1状态
eg：k进制码元–4进制码元–码元的离散状态有4个–4种高低不同的信号波形 00 01 10 11

• 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受信道
• 信道分为两类：
  传输信号→模拟信道（传送模拟信号） 数字信道（传送数字信号）
  传输介质→无线信道 有线信道

2.3三种通信方式

• 单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播。
• 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
• 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

2.4两种数据传输方式

• 串行传输：速度慢，费用低，远距离
• 并行传输：速度快，费用高，适合近距离，用于计算机内部数据传输

2.5速率

• 数据率：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 信息传递速率 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，它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，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关（1s传输多少个码元）
• 信息传递速率：别名信息速率，比特率，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）（1s传输多少个比特）

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s

2.6带宽

• 表示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

2.7失真

（考研会考的一种现象）

2.8基带信号和宽带信号

2.9奈氏准则

2.10香农公式

2.11奈氏和香农的区别

2.12频带传输与带通调制

• 频带传输：将基带信号调制成模拟信号后传输。
• 注意：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。
• 调制分大类，一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，变换后的信号任然是基带信号，这类调制称之为“基带调制”；另一类是需要使用载波进行调制，即把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，这类调制称之为“带通调制”。
• 基本的带通调制方法
  

3.物理层下面的传输媒体

3.1传输介质及分类

• 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

PS:传输媒体并不是物理层

• 传输媒体在物理层的下面，因为物理层时体系结构的第一层，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，但传输媒体并不知道所传输的信号代表是什么，但物理层规定了电气特性，所以能识别比特流
• 传输介质分为
  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
  ②非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气，真空，海水等

3.2导向性传输介质

• ①双绞线
  

• ②同轴电缆
  

• ③光纤
  光纤即光导纤维，不受外界电磁干扰，直径8-100微米
  多模光纤：直径相对较大，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的光纤
  单模光纤：光纤直径小到光的波长时，光线就一直向前传播而不发生多次反射的光纤（传播的距离比多模光纤远）
  光纤工作原理：
  

3.3非导向性传输介质

①无线电传输：收音机
②微波传输：主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差
③红外线：遥控器
④光波

4.数字传输系统

4.1脉冲编码调制方法

• 数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字外，语音、图像等信息的模拟数据进行数字化已成为发展的必然趋势。
• 脉冲编码调制又叫PCM是模拟数据数字化的主要方法。由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
• 脉码调制包含三个部分内容：
  ①采样： 采样定理：如果以大于或等于信道带宽2倍的速率定时对信号进行采样。其样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息
  ②量化： 将信号分为若干量化级。量化成多少级，根据精度要求。级数应为2的n次方
  ③编码： 若有K个量化级，则需要log2 K位二进制编码

4.2数字数据编码方法

主要有以下几种

• 非归零码：（波特率=数据率）规则：用低电平表示“0”、用高电平表示“1”、需要另一信道传输同步信号，以保证收发双方同步，否则无法判断一位开始与结束

• 曼彻斯特编码：（波特率=2*数据率）规则：每比特的周期T分为前T/2和后T/2，前T/2传送该比特反码，后T/2周期传送该比特原码（即：位中间正跳变表示0，位中间负跳变表示1）
  特点：无需另发同步信号、效率低，若信号传输速率为10MBPS，则发送频率应为20MHZ

• 差分曼彻斯特编码：（波特率=2*数据率）对曼彻斯特编码的改进。比特中间跳变仅做同步用，每比特值根据其开始边界是否跳变来决定，有跳变表示“0”， 无跳变表示“1”

• 示例：
  

5.总结一下物理层设备

• 物理层设备分为中继器和集线器
• 中继器：
  
  5-4-3规则：为了限制中继器使用次数
  5是指不能超过5个网段
  4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个
  3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机
• 集线器：
  
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  部分图片参考自
  2019 王道考研 计算机网络