计算机网络物理层

Posted 2022-05-30 coderlin_

物理层基本概念

• 物理层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：确定与传输媒体接口的一些特性=》定义标准

定义标准：

不同的厂家在物理层定义的标准下实现不同的但是可以连接的接口。

• 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。
  如
• 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等。
• 功能特性：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。
• 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信基础知识

• 典型的数据数据通信模型分为三部分，源系统，传输系统，目的系统。
• 电脑输入信息之后，通过数字信号比特流交给猫，猫转换成模拟信号，通过公用电话网找到对方的地址，发送过去。对方的猫解析模拟信号，得到比特流，呈现到对方的电脑上去。
• 我方电脑和猫就是源系统。对方猫和电脑就是目的系统。

相关术语

• 数据：传输信息的实体，通常是有意义的符号序列，比如比特流。
• 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
  • 数学信号：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，一般用来表示向某一个方向发送信息的介质。一条通信线路往往包含发送信号和接收信道。

码元，波特，速率

• 码元指用一个固定的时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形。当码元的离散状态有M个，就成为M进制码元。如01010101，这是一个二进制比特流，离散状态只有0和1，称为2进制码元。对应的一个0，1，分别就是一个码元。
• 速率也叫数据率，是指数据的传输速率，它是指计算机发送数据到信号上的速率，而比特在信道上的速率叫做传播速率，与电磁波有关。传输速率可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
  • 码元传输速率：1s传输多少个码元，单位是波特，比如1波特，就表示1s传出一个码元。
  • 信息传输速率：1s传输多少个比特。
  • 两者关系：若一个码元携带n个比特的信息（2进制码元对应一个比特，0101，四进制码元对应2个比特，00 01 10 11）…，那么M波特的码元传输速率，所对应的信息传输速率就是M*n bit/s，因为信息传输速率就是计算1s传输多少个单位。

奈式准则和香农定理

失真

第一种属于有失真但可识别。
第二种属于失真大无法识别。
影响失真的因素：

• 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

如上，40000HZ的频率过快，接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。比如一群马很快的从你面前跑过去，你也不能分辨是多少匹。

为了应对码间串扰，就出现了奈式准则。

奈式准则

• 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波特，即一秒2W个码元。W是信号带宽，单位是HZ。
• 极限数据传输率率：
  
  一秒2W码元*码元所携带的比特。
• 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，若超出这个上限，就会出现严重的码间串扰问题。
• 信道的频带越宽（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。
• 奈式准则只给出了码元传输速率的限制，并没有对信息传输速率给出限制。
• 所以为了更高的数据传输率，必须设法让每个码元多谢带一些比特的信息量。采用多元制的调制方法。

信号16种变化，对应16进制码元，即一个码元可以携带4个信息。log2^16 =4 。
那么数据传输率就等于 2W * 4 = 2 * 3k * 4 = 24kb/s

香农定理

• 香农定理：在带宽受限且有噪声的通道，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
• 信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率。常记为S/N。并用db作为度量单位。
  db和S/N的换算公式：1db = 10* log10(n s/n)，就是1db = n s/n的求法。
• 香农定理就是来求数据传输速率的极限值。
  
• 信道中，带宽或者信噪比越大，数据的极限传输速率就越高。
• 对一定的带宽和一定的信噪比，极限传输速率就确定了。
• 只要信息的传输率低于信道的极限传输率，就一定能找到某种方式实现无差错的传输。

奈式准则和香农定理

• 奈式准则
  • 带宽受限且无噪声条件下，为了避免码间串扰（码元传输频率过高导致信号接收不完全），规定数据的极限传输速率为2 * W(带宽）*log2(V),V就是一个码元携带的比特数。
  • 要想提供数据率，就得提高带宽(W)，或者采用更好的编码技术（让1码元携带多一点比特）
• 香农定理
  • 带宽受限且有噪声情况下的极限传输速率。
  • 信道的极限传输速率 = W * log2(1+ S/N)(b/s)
  • 要提高数据率，就得提高信噪比或者带宽。

• 如上，对于奈式准则，二进制信号表示一个码元有两种状态，也就是 0和1，就表示一个马元携带1个比特，4KZH表示带宽为4k，那么奈式准则的计算就是
  4000 * 2 * log2(2) = 80000b/s
• 对于香农定理，信噪比127/1，带宽4k，那么4000 * log2(1+127) = 28000b/s
  所以答案是最大的数据速率可达到28000b/s

编码和调制

基带信号和宽带信号。

信道：信号的传输媒介。

信道种类

通过传输介质：

• 无线信道（无线电波，空气等）
• 有限信道（光纤）

通过传输信号区分：

• 传送模拟信号的，就是模拟信道
• 传送数字信号的，就是数字信道。

信道上传的信号分为基带信号和宽带信号。

• 基带信号：将数字1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输，就是基带传输。

  • 说简单点就是来自信源的信号，像计算机输出的信号就是0101的数字信号，他就属于基带信号。
  • 基带信号就是直接表达了要传输的信息的信号。比如我们直接说话的声波，就是基带信号，计算机有个网卡，类似于声带，计算机通过网卡发出的信号，也属于基带信号。

• 宽带信号：既然基带信号是直接从信源发出的信号，那么宽带信号就是将基带信号进行调制之后，形成的频分复用模拟信号，再送到模拟信道上去去传输（宽带传输）.

  • 把基带信号经过载波调制之后，把信号的频率范围调制到更高的频段，以便在信道中传输（加工基带信号，便于传输）
  • 可以想像成主播在唱歌，人的声音频率不够高，传输过去可能会被干扰导致失真，那么就得将人的信号的频率调高，使他能抗干扰，传送到对应的目的地之后还能还原回来。s传输距离较近，使用基带传输，近距离衰减小，内容不易变化。
    传输距离较远，使用宽带传输的方式，（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出信号）

编码和调制

• 数据 =》 数字信号（编码）像计算机。
• 数据 =〉模拟信号 （调制）

数字数据编码成数字信号

• 非归零编码(高1低0)
• 曼彻斯特编码（前高后低就是1，前低后高就是0）
• 差分曼彻斯特编码
• 。。。。

数字信号调制成模拟信号

数字数据调制技术是在发送端将数字信号调制成模拟信号，传输，到接收端将模拟信号解调为数字信号，对应解调器的调制和解调过程。

模拟数据编码成数字信号

• 计算机内部处理的都是二进制信号，处理的都是数字音频，也就是需要将模拟音频进行采样，量化转换成数字信号（音频数字化）
  

模拟数据调制成模拟信号

• 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。
  

物理层传输媒介

• 信道是传输的逻辑通道
• 传输媒介是数据传输系统中，发送设备和接受设备之间的一条物理通道。
• 传输媒体不是物理层：
  

传输介质

如火车和飞机。

导向性传输介质：

• 双绞线，两条线跟麻花一样搅拌，以相互抵消电磁干扰，如网线。
• 同轴电缆，抗干扰比双娇线强，一般用于电脑的线，如

他两传递的都是电信号。电脉冲。

• 光纤：传递光脉冲，可见光的频率非常大，所以光纤的通信带宽远远大于其他两种。

非导向性传输介质

物理层设备

中继器

• 由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度就会导致信号失真，因此会导致接收错误。
• 中继器的功能：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。
  

集线器（多口中继器）

物理层总结