计算机网络—— 物理层（123）：物理层的基本概念物理层的下面的传输媒体传输方式

Posted 2021-06-30 大彤小忆

• 1. 物理层的基本概念
• • 1.1 课后练习
• 2. 物理层的下面的传输媒体
• • 2.1 导引型传输媒体
  • • 2.1.1 同轴电缆
    • 2.1.2 双绞线
    • 2.1.3 光纤
    • 2.1.4 电力线
  • 2.2 非导引型传输媒体
  • • 2.2.1 无线电波
    • 2.2.2 微波
    • 2.2.3 红外线
    • 2.2.4 可见光
  • 2.3 课后练习
• 3. 传输方式
• • 3.1 串行传输和并行传输
  • • 3.1.1 串行传输
    • 3.1.2 并行传输
  • 3.2 同步传输和异步传输
  • • 3.2.1 同步传输
    • 3.2.2 异步传输
    • 3.2.3 异步传输与同步传输的区别
  • 3.3 单工、半双工和全双工通信
  • • 3.3.1 单工通信
    • 3.3.2 半双工通信
    • 3.3.3 全双工通信
  • 3.4 课后练习

1. 物理层的基本概念

  物理层（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定：为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层。
  物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。

  在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多。大致可以分为两类：一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体，如下图所示。

  计算机网络体系结构中的物理层，就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。所谓“透明”，是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用什么方法来传输比特0和1，它只管享受物理层提供的比特流传输服务即可。

  物理为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有以下四个任务，分别是机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

  由于传输媒体的种类众多，例如双绞线、光纤等；物理连接方式也很多，例如点对点连接、广播连接等。因此物理层协议种类就比较多，每种物理层协议都包含了上述四个任务的具体内容。

  $\star$ 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。
  $\star$ 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，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

1.1 课后练习

  1. 某网络在物理层规定，信号的电平用+10V$\sim$+15V表示二进制0，用-10V$\sim$-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内，这体现了物理层接口的( C )
    A. 机械特性   B. 功能特性  C. 电气特性  D. 规程特性
   分析： 电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

  2. 当描述一个物理层接口引脚在处于高电平时的含义时，该描述属于( C )
    A. 机械特性   B. 电气特性   C. 功能特性  D. 规程特性
   分析： 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。

2. 物理层的下面的传输媒体

  传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层，如果非要将其添加到体系结构中，那只能将其放在物理层之下。
  传输媒体可分为两类，一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。常见的导引型传输媒体有同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。而非导引型传输媒体是指自由空间，可使用的电磁波有无线电波、微波、红外线、可见光。

2.1 导引型传输媒体

2.1.1 同轴电缆

  下图所示的是导引型传输媒体同轴电缆。

  同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

2.1.2 双绞线

  下图所示的是无屏蔽双绞线电缆。

  屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力，价格也更贵，如下图所示。
  常用的绞合线的类别、带宽和典型应用如下图所示。

2.1.3 光纤

  下图所示的是室外四芯光缆。

  光在光纤中传输的基本原理：
  当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。

  实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。

  由于色散（模式、材料、波导色散)，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽)。因此，多模光纤只适合近距离传输（建筑物内)。多模光纤对光源的要求不高，可以使用比较便宜的发光二极管，相应地，可采用光电二极管检测光脉冲。

  若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。

  单模光纤没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消。单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高。需要使用昂贵的半导体激光发生器作为光源，相应地，需要采用激光检波器检测光脉冲。

2.1.4 电力线

  下图所示的是电力线。

2.2 非导引型传输媒体

  可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息，下图所示的是电磁波的频谱。

  下图所示的是国际电信联盟ITU对电磁波频段的划分。

  上图所示的从极低频到甚低频，也就是从极长波到甚长波，这些频段并不用于电信领域。

  上图所示的从低频到甚高频，也就是从长波到米波，这些频段的电磁波又称为无线电波，用于国际广播、海事和航空通讯、电台广播、电视广播等。
  上图所示的从特高频到极高频，也就是从分米波到毫米波，这些频段的电磁波又称为微波，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。

2.2.1 无线电波

  无线电波中的低频和中频频段，主要利用地面波进行传输；而高频和甚高频频段，主要是靠电离层的反射。

2.2.2 微波

  微波通信在数据通信中占用重要地位。频率范围为300MHz$\sim$ 300GHz(波长1m$\sim$ 1mm)，微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。
  传统的微波通信主要有两种方式：一种是地面微波接力通信，另一种是卫星通信。

2.2.3 红外线

  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，传输速率也很低（4Mb/s$\sim$ 16Mb/s）。

2.2.4 可见光

  可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

2.3 课后练习

  1. 不受电磁干扰和噪声影响的传输介质是( C )
     A. 屏蔽双绞线  B. 非屏蔽双绞线  C. 光纤   D. 同轴电缆
   分析： 从目前对“光”的认识来说，光也是一种波动的辐射传播，也是带点粒子的振动辐射出来的能量，属于波长极短的电磁波，但它又不简单的就是一种电磁波，从对光传播的研究来说，它还有粒子（光子）的性质，光在光纤中的反射传播过程，遵循的是光子的反射，所以它不受电磁场的作用。

  2. 我们几乎每天都要使用的Wi-Fi，其信号属于( B )
    A. 无线电波   B. 微波   C. 红外线   D. 可见光
   分析： Wi-Fi信号属于微波。

  3. 双绞线是用两根绝缘导线绞合而成的，绞合的主要目的是( A )
    A. 减少干扰   B.   提高信号传播速率   C. 增大传输距离   D. 增大抗拉强度
   分析： 绞合的主要目的：1. 抵御部分来自外界的电磁波干扰；2. 减少相邻导线的电磁干扰。

  4. 多模光纤传输光信号的原理是( D )
     A. 光的折射特性  B. 光的发射特性   C. 光的绕射特性   D. 光的全反射特性
   分析： 多模光纤传输光信号的原理是光的全反射特性。只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。

  5. 以下关于单模光纤的说法中，正确的是( B )
     A. 光纤越粗，数据传输率越高   B. 如果光纤的直径减小到只有光的一个波长大小，那么光沿直线传播   C. 光源可以使用发光二极管  D. 接收端可使用光电二极管
   分析： 若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。

3. 传输方式

3.1 串行传输和并行传输

3.1.1 串行传输

  串行传输是指数据是一个比特一个比特一次发送的。因此，在发送端和接收端之间，只需要一条数据传输线路即可。适合远距离传输，计算机网络采用这种传输。

3.1.2 并行传输

  并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特。因此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。不适合远距离传输，成本太高，计算机内部采用这种传输。

  并行传输的优点是速度为串行传输的n倍。
       缺点是成本高。

  思考： 在计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输还是并行传输？

      计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输；计算机内部的数据传输常采用并行传输方式。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。

3.2 同步传输和异步传输

3.2.1 同步传输

  采用同步传输方式，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，以判别接收到的是比特0还是比特1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，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位。因此，需要采取方法使收发双发的时钟保持同步。

  实现收发双发时钟同步的方法主要有两种：一种是外同步，在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，发送端在发送数据信号的同时，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收数据；另一种是内同步，发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）。

3.2.2 异步传输

  采用异步传输方式，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。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

  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，也就是各比特的持续时间是相同的。

3.2.3 异步传输与同步传输的区别

  简述异步传输方式与同步传输方式的区别。
  异步传输以字符为传输单位，一次只传输一个字符（由5-8位数据组成）。每个字符有1个起始位和1至2个停止位保证字符的同步，字符内以约定频率保证位同步，字符之间异步，可有任意的空闲位。
  同步传输以数据块的帧为传输单位，每帧以特殊的同步字符或位模式作帧头帧尾标志，保证帧同步，帧内用外加的同步信号或用从数据信号中提取的同步信号保证位同步。

3.3 单工、半双工和全双工通信

3.3.1 单工通信

  单工通信又称为单向通信 ，通信双方只有一个数据传输方向。例如，无线电广播采用的就是这种通信方式。

  单向通信只需要一条信道。

3.3.2 半双工通信

  半双工通信又称为双向交替通信 ，通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。例如，对讲机采用的就是这种通信方式。

  双向交替通信需要两条信道，每个方向各一条。

3.3.3 全双工通信

  全双工通信又称为双向同时通信 ，通信双方可以同时发送和接收信息。例如，电话采用的就是这种通信方式。

  双向同时通信需要两条信道，每个方向各一条。

3.4 课后练习

  1. 对讲机的通信方式属于( B )
     A. 单向通信   B. 双向交替通信  C. 双向同时通信   D. 并行通信
   分析： 对讲机的通信方式属于双向交替通信，即半双工通信。

  2. 被用于计算机内部数据传输的是( B )
     A. 串行传输   B. 并行传输  C. 同步传输   D. 异步传输
   分析： 计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输；计算机内部的数据传输常采用并行传输方式。

  3. 一次传输一个字符（5~8位组成），每个字符用一个起始码引导，同一个停止码结束，如果没有数据发送，发送方可以连续发送停止码，这种通信方式称为( D )
     A. 并行传输   B. 串行传输  C. 同步传输   D. 异步传输
   分析： 异步传输以字符为传输单位，一次只传输一个字符（由5-8位数据组成）。每个字符有1个起始位和1至2个停止位保证字符的同步，字符内以约定频率保证位同步，字符之间异步，可有任意的空闲位。