计算机网络（三）物理层

1 物理层的基本概念

物理层就是要解决在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流（比特0和比特1）的问题
向上一层数据链路层屏蔽各种传输媒体的差异，提供透明的比特流传输服务。

物理层协议的主要任务

2 物理层下的传输媒体

传输媒体分为两类：

导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播
- 双轴线
- 同轴电缆：各层都是一个同轴的同心圆，这也是名字的由来
- 光纤
- 电力线
非导引型传输媒体：自由空间
- 微波通信（2-40HZ）
- 无线电波
- 红外线
- 可见光

3 传输方式

串行传输：数据一个比特一个比特一次发送的，发送端和接收端之间只需要一条传输线路
并行传输：一次性发送多个比特，发送端和接收端之间只需要多条传输线路
- 并行传输的优点是速度比串行传输要快，缺点是成本很高
- 计算机网络中，数据在传输线路的传输采用的是串行传输，计算机内部的数据传输采用的是并行传输（通过总线控制）
同步传输：发送端以稳定的比特流的形式进行传输，字节之间没有间隔。
- 接收方需要在每个比特信号的中间时刻进行检测以判别是0还是1
- 由于不同设备的时钟频率存在一定差异，会造成时钟误差的积累导致比特信号判别错位，因此需要采取方法使收发双发的时钟保持一致，方法有：
  - 外同步：在收发双发之间添加一条单独的时钟信号线，接收方按照时钟信号的节奏同步数据
  - 内同步：发送端将时钟同步编码到发送的数据中心一起传输（如传统以太网的曼彻斯特编码）
异步传输：发送端以字节为传输单位，字节之间的发送间隔不是固定的，接收端只在字节的起始处对接收的字节进行同步，因此需要在每个字节添加起始和结束位
- 这里的异步是字节之间异步，也就是字节之间的间隔不固定
- 但字节之间的每个比特仍要同步，即每个字节的持续时间是相同的
单向通信（单工）：通信的双发只有一个传输方向，如无线电广播
双向交替通信（半双工）：通信双方有两个传输方向，但是不能同时通信，如对讲机
双向同时通信（全双工）：通信双方可以同时发送和接收数据，如电话

4 编码与调制

4.1 基带信号的编码与调制

计算机将要处理的文字、图片、音频以及视频统称为消息，把运送消息的实体称作数据，且计算机只能处理二进制的数据
计算机的网卡会将二进制数据变换成相应的电信号发送到网线，信号即使数据的电磁表现
由信源发出的原始信号称作基带信号，基带信号又可以分为两类：
- 数字基带信号：如计算机内部CPU和内存传输的信号
- 模拟基带信号：如麦克风收到声音产生的音频信号
信号需要在信道中进行传输，信道又分为数字信道和模拟信道两种
对于数字基带信号的处理有两种方法：
- 编码：在不改变信号性质的前提下，仅对数字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。如以太网的曼彻斯特编码
- 调制：把数字信号的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。如WIFI的（CCK、DSSS、OFDM）
对于模拟基带信号的处理也有两种方法：
- 编码：...
- 调制：...

码元：在使用时间域的波形表示数字信号的时候，代表不同离散数值的基本波形
传输媒体并不等于信道，如使用半双工和全双工进行通信，则一条传输媒体包含两个信道，如果使用信道复用技术则可包含更多信道

4.2 几种常见的编码

不归零电平：即传输过程中不会出现零电平的情况

不归零电平存在同步问题：这时候为了判断码元的起始位置，需要额外一根传输线来传输时钟信号，即之前说到的外同步传输
归零电平：每个码元传输结束后信号需要归零，接收方只需要在电平归零后采样即可，不需要单独的时钟信号
- 相当于将时钟信号以编码的方式放在了数据之内，称作自同步的方式
- 缺点是很大一部分带宽都被归零电平浪费掉了，导致编码的效率较低
曼彻斯特编码：每个码元之间都会发生跳变，正跳变表示比特0，副跳变表示比特1。码元中间时刻的跳变即能够表示时钟，又能够表示数据，是传统以太网采用的编码方式。
查分曼特斯特编码：电平跳变表示时钟；依照每个码元开始处电平是否变化表示数据。

查分曼彻斯特编码的变化更小，更适合较高的传输速率