计算机网络零基础学计网——物理层

Posted 2022-02-06 吞吞吐吐大魔王

文章目录

• 1. 物理层的概念
• 2. 物理层下面的传输媒体
• 3. 传输方式
• 4. 编码与调制
• 5. 信道的极限容量

1. 物理层的概念

• 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

• 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网路具体的传输媒体是什么

• 物理层协议的主要任务是：机械特性、电器特性、功能特性、过程特性

  • 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
  • 电器特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示合种意义
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2. 物理层下面的传输媒体

注意：

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层

传输媒体可以分为两类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体

• 导引型传输媒体：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线
• 非导引型传输媒体：无线电波、微波、红外线、可见光

导体型输媒体介绍和示意图：

• 同轴电缆
• 双绞线
• 光纤
• 电力线

3. 传输方式

传输方式有：串行传输和并行传输、同步传输和异步传输、单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）

各种传输方式介绍和示意图：

• 串行传输： 数据是一个比特一个比特发送的，因此在发送端与接收端，只需要一条数据传输路线

• 并行传输： 数据一次发送n个比特位，因此在发送端和接收端之间需要有n条传输路线。（更快）

• 数据在传输路线上的传输采用串行传输，在计算机内部的传输采用并行传输

• 同步传输： 数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的比特是0还是1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，故不可能做到完全相同。在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错误。需要使收发时钟保持同步

• 异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。通常在每个字节前后分别加上起始位和结束位

• 单向通信（单工）： 只能有一个方向的通信，没有反方向的交互

• 双向交替通信（半双工）： 通信的双方可以相互发送信息，但是不能同时发送

• 和双向同时通信（全双工）： 通信的双方可以同时发送和接收信息

4. 编码与调制

相关知识介绍：

• 计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，统称为消息

• 数据是运送消息的实体

• 计算机中的网卡将二进制数据比特0和比特1，变换成相应的电信号发送到网线

• 信号是数据的电磁表现

• 基带信号： 由信源发出的原始电信号，包含两类

  • 数字基带信号，例如：计算机内部 CPU 与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

• 信号需要在信道中进行传输

• 信道可分为：数字信道和模拟信道

• 编码： 编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程。在不改变信号性质的前提下，仅对某基带信号的波形进行变换。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。

  • 对数字基带信号进行编码应用，例如：以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码
  • 对模拟基带信号进行编码应用，例如：对音频信号进行编码的脉码调制 PCM

• 调制： 对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程。把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。

  • 对数字基带信号进行编码应用，例如：WiFi 使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复等调制方法
  • 对模拟基带信号进行编码应用，例如：将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，如传统电话

  

• 码元： 在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

  

传输媒体和信道的关系：信道不等于传输媒体

• 对于单工传输：传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道

  

• 对于半双工和全双工传输：传输媒体中包含两个信道，一个是发送信道，一个是接收信道

  

常用编码：

• 不归零编码（由于不归零编码存在同步问题，计算机网络的传输不采用不归零编码）

• 归零编码（归零编码中大部分数据带宽都用来传输归零而浪费掉了，归零编码的优点是自同步，但是效率很低）

  

• 曼彻斯特编码（传统以太网使用曼彻斯特编码）

  

• 差分曼彻斯特编码（比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率）

  

基本调制方法： 一个码元只能包含一个比特信息。

混合调制方法：

5. 信道的极限容量

• 当信道的通信质量较好时：数字信号通过信道失真后不会太严重，在输出端可以还原出发送的码元

  

• 当信道的通信质量较差时：在输出端就很难判断这个信号什么时候为0什么时候为1

  

像上述信号波形失去了码元之间的清洗界限，这种现象叫做码间串扰

产生失真的原因主要有： 码元传输速率、信号传输距离、噪音干扰、传输媒体质量等