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计算机网络笔记2--物理层

目录

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.

物理层主要任务:确认与传输媒体接口有关的一些特性

  1. 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丶接口形状丶引线数目丶引脚数量和排列情况.
  2. 电气特性:规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围丶阻抗匹配丶传输速率和距离限制等.
  3. 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.
  4. 规程特性(过程特性):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

典型的数据通信模型

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相关术语

通信的目的是传送消息

  • 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/电磁的表示,是数据在传输过程中的存在形式

    数字信号:代表信息的参数取值是离散的

    模拟信号:代表信息的参数取值是连续的

  • 信源:产生于发送数据的源头

  • 信宿:接收数据的终点

  • 信道:信号的传输媒介.一般又来表示向某一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收信道

    • 模拟信道:传送模拟信号
    • 数字信道:传送数字信号
    • 无线信道:通过无线介质传送
    • 有线信道:通过有线介质传送

    信道上传送的信号:

    • 基带信号:讲数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上传输(基带传输)。来自信源的信号。
    • 宽带信号:讲基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)

    在传输距离较近时,计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小,从而信号内容不易发生变化)

    在传输距离较远时,计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大,即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

    \[信道带宽=信道能通过最高频率-信道能通过最低频率 \]

通信方式

  • 单工通信:只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道
  • 半双工通信:通信的双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收,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,也是需要两条信道.

传输方式

  • 串行传输:速度慢,费用低,适合远距离
  • 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

实现同步的传输/通信方式

  • 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据

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  • 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以再任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

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码元

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,这个时长内的信号成为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>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.

速率

也叫速率率,是指数据的传输速率,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输速率表示.

  • 码元传输速率:表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称脉冲个数或信号变化的次数),单位是波特(Baud).1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元. (1波特=1码元/秒)
  • 信息传输速率: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),单位是比特/秒(b/s).

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n*M bit/s.

带宽

  1. 模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时（即-3dB）,最高频率和最低频率之间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）
  2. 数字设备中：表示在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"/单位时间内通过链路的数量,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.

编码与调制

数字数据编码为数字信号

  • 非归零编码(NRZ):编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

  • 曼切斯特编码:将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既做时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2

    注意：以太网使用的编码方式就是曼切斯特编码

  • 差分曼切斯特编码: 同1异0 常用于局域网传输

    其规则是若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼切斯特编码。

  • 归零编码(RZ)：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式

  • 反向不归零编码(NRZI)：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1

  • 4B/5B编码:编码效率为80%

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端讲数字信号转换为模拟信号,而在接收端讲模拟信号还原为数字信号,分别对应于调制解调器的调制和解调过程

  • ASK:调幅
  • FSK:调频
  • PSK:调相
  • QAM:调幅+调相

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模拟数据编码为数字信号

  • PCM:对音频信号进行编码的脉码调制

    主要包括三步:

    1. 抽样:定理进行采样: \(f\)采样频率>\(2f\)信号最高频率
    2. 量化:把连续的电平值转换为离散的数学值
    3. 编码:把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

模拟数据调制为模拟信号

放大器调制器

为了实现传输的有效性,可能需要较高的频率.这种调制方式可能使用频分复用技术,充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

奈式准则与香农定理

失真

影响失真程度的因素:

  • 码元传输速率
  • 信号传输距离
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量

失真的一种现象--码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

奈式准则(奈奎斯特定理)

在理想低通(无噪声,带宽受限)条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud,W是信道带宽,单位是HZ

理想低通信道下的极限数据传输率:

\[2Wlog_2V(b/s) \]

V:几种码元/码元的离散电平数目

  • 在任何信道上,码元传输的速率是有上限的.若传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰问题,使接收端对码元的完全正确识别成功不可能.
  • 信道的频带越宽(即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.
  • 奈式准则给出了码元的传输速率的限制,但并没有对信息传输速率给出限制.
  • 由于码元的传输速率受奈式准则的制约,所以要提高数据的传输速率,就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量,这就需要采用多元制的调制方法.

香农定理

信噪比:

\[信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率 \]

常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位,即:

\[信噪比(dB)=10log_{10}{S/N} \]

香农定理:在带宽受限且有噪声的信道上,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值.

\[信道的极限数据传输速率=Wlog_2(1+S/N)(b/s) \]

可从公式看出:

  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大,则 信息的极限传输速率就越高.
  • 对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了
  • 只有信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
  • 香农定理得出的为极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比其低不少

传输介质

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. 传输媒体并不是物理层,

传输介质分类:

  • 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.
  • 非导向性传输介质:自由空间,介质可以是空气丶真空丶海水等.

导向型传输介质

  1. 双绞线:是古老丶又最常用的传输介质,它是由两根采用一定规则并排绞合的丶相互绝缘的铜导线组成. 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰.

    为了进一步提高抗电磁干扰能力,可在双绞线的外面再加一个由金属丝编织成的屏蔽层.这就是屏蔽双绞线(STP),无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP).

    其通信距离一般为几公里到数十公里，距离太远时,对于模拟传输,要用放大器放大衰减的信号;对于数字传输,要用中继器将失真的信号整形.

  2. 同轴电缆:由导体铜质芯线,绝缘层,网状编织屏蔽层和塑料外层构成.按特性阻抗数值的不同,可分为两类:

    • 基带同轴电缆(50):主要用于传输基带数字信号，在局域网中得到广泛应用
    • 宽带同轴电缆(70):主要用于传送宽带信号,主要用于有线电视系统.

    同轴电缆抗干扰特性比双绞线好,被广泛用于传输较高速率的数据,其传输距离更远,但价格较双绞线贵.

  3. 光纤:主要由纤芯(实心的!)和包层构成,光波通过纤芯进行传导(全反射),包层较纤芯有较低和折射率.

    光纤通信就是利用光导纤维传递光脉来进行通信.有光脉冲表示1,无光脉冲表示0.而可见光的频率大约是10^8MHz,因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽.

    光纤主要分为:1.单模光纤 2.多模光纤

    光纤的特点:

    • 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好.
    • 无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据.
    • 体积小,重量轻

非导向性传输介质

  1. 无线电波(信号向所有方向传播):较强穿透能力,可传远距离,广泛用于通信领域(如手机通信)
  2. 微波(信号固定方向传播):微波通信频率较高,频段范围宽,因此数据率很高. 可分为:1. 地面微波接力通信 2.卫星通信
  3. 红外线丶激光(信号固定方向传播):把要传输的信号分别转换为各自的信号格式,即红外光信号和激光信号,再在空间中传播.

物理层设备

中继器

诞生原因:由于存在损耗,在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真,因此会导致接收错误.

功能:对(数字)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,以增强信号传输的距离,延长网络的长度.

两端:两端的网络端是网段,而不是子网,适用于完全相同的两类网络的互连,且两个网段速率要相同; 两端可以连相同媒体,也可连不同媒体.网段一定要是同一个协议(中继器不会存储转发)

5-4-3规则:网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定,因而中继器只能在规定的范围内进行,否则会网络故障.

集线器(多口中继器)

再生,放大信号

功能:对信号进行再生放大转发,对衰减的信号进行放大,接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上,以增加信号传输的距离,延长网络的长度.不具有信号的定向传送能力,是一台共享式设备.

集线器不能分割冲突域,连在集线器上的工作主机平分带宽

posted @ 2020-05-28 23:02  Ligo丶  阅读(646)  评论(0)  编辑  收藏  举报