计算机网络 -- 物理层

本文参考资源：湖科大教书匠--计算机网络微课堂

基本概念

• 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，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
  
  

物理层下的传输媒体

导引性传输媒体

同轴电缆

基带同轴电缆(50Ω) 数字传输，过去用于局域网

宽带同轴电筑(75Ω) 模拟传输，目前主要用于有线电视

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。

双绞线

光纤

纤芯直径

• 多模光纤：50微米，62.5微米

• 单模光纤：9微米

包层直径125微米

工作波长

0.85微米（衰减较大）

1.30微米（衰减较小）

1.55微米（衰减较小）

光纤的优点

• 通信容量大(25000~30000GHz的带宽)

• 传输损耗小，远距离传输时更加经济。

• 抗雷电和电磁干抗性能好。这在大电流脉冲干抗的环境下尤为重要。

• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听。

• 体积小，重量轻。

缺点

• 割接需要专用设备

• 光电接口价格比较贵
  
  

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。

不同入射角度，就会导致不同的路径全反射，所以可多条光路

电力线

非导引性传输媒体

无线电波

微波

卫星通信

优点：传播距离远

缺点：传播时延长

红外线

传输方式

串行传输和并行传输

并行传输成本高

同步传输和异步传输

不同设备的时钟频率不同，在传输大量信息时会产生时刻的累计误差，会导致接收端对比信号的判别错位，因此需要采取方法使收发双方的时钟保持同步

外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，一边传输信号一边同步时间

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）

• 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）

• 字节中的每个比特仍然要同步、(各比特的持续时间是相同的）

单工半双工全双工

全双工需要两条通信通道

编码与调制

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。

即为构成信号的一段波形

常用编码

不归0编码

需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步

对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号！所以计算机网络不使用这种传输方式

归零编码

每个码元传输结束后信号都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行釆样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号

但是，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

曼彻斯特编码&差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码：负跳变表示比特1，正跳变表示比特0

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

基本调制方式

使用基本调制方法。1个码元只能包含1个比特信息。如何能使1个码元包含更多的比特呢？

混合调制

因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。

通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

混合调制举例一一正交振幅调制QAM

信道的极限容量

香农公式&信噪比

在信道帯宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。

信道复用

复用(
Multiplexing)是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。

当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽

频分复用FDM

隔离频带：防止子信道之间的干扰

时分复用TDM

每个时分复用的用户在每个时分复用中古用固定序号的时隙。

每一个用户所占用的时间是周期性出现的

波分复用WDM

码分复用CDM