计算机网络-物理层

2.1 基本概念

主要任务：解决如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒质；即确定与传输媒体接口有关的一些特性

1、机械特性：规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、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、阻抗匹配、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：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

 

2.1.1 相关术语

数据：传送信息的实体

信号:数据在传输过程中的存在形式；数字信号、模拟信号

信源：产生和发送数据的源头

信宿：接收数据的终点

信道：信号的传输媒介；往往一条通信线路包含发送信道和接收信道

 

三种通信方式：

单工通信：只有一个方向的通信，一条信道

半双工通信：两个方向，但不能同时发或接收，两条信道

全双工通信：两个方向可以同时，两条信道

两种数据传输方式：

串行传输、并行传输

 

2.1.2 码元

定义：用一个固定时长的信号波形，代表不同离散数值的基本波形；一个码元有多少个离散状态就称位M进制码元，M=2^n

速率：数据的传输速率（注意与传播速率的区别）

• 码元传输速率：单位时间内传输的码元个数（或称为脉冲个数或信号变化的次数），单位为波特（1Buad = 1码元/s）

• 信息传输速率：单位时间内传输的二进制码元（比特）个数

带宽：最高数据率，b/s

 

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（前三个为正相关、后一个为负相关）

信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差；低频有损耗，高频有码间干扰（接收端接收到的信号波形失去了马原之间清晰界限的现象）

 

2.2 奈氏准则（奈奎斯特定理）

定义: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 = 2Wlog₂V （b/s）

V 为码元的离散电平数目

• 想提高数据传输率可以采用多元制码元

 

2.3 香农定理

信噪比 = S/N

信噪比(db)= 10lg(S/N)

定义：在带宽受限且有噪声的信道中，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)

• 只要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他低不少

 

2.4 编码与调制

基带信号：来自信号源的信号，直接表达了要传输的信息，在数字通道传输（适用近距离）

宽带传输：经过载波调制后，在模拟信道上传输（适用远距离）

 

数字信息编码成数字信号

归零编码：每个码元最终都归零

非归零编码：需要另一条信道告知信号周期

反向非归零编码：电平翻转为0，反之为1

曼彻斯特编码：先高后低为1，先低后高为0

差分曼彻斯特编码：临界处，同1异0

4B/5B编码：在连续比特中插入比特，编码效率为80%

 

数字信息到模拟信号

模拟数据编码为数字信号

抽样->量化->编码

 

2.5 物理层传输介质及设备

传输介质/媒体：并不是物理层

导向性传输介质：例如导体

1、双绞线

• 两根相互绞合的线电流方向相反，可以减少对相邻导线的电磁干扰；

• 屏蔽双绞线（STP），非屏蔽双绞线（UTP）

• 通信距离一般为10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

基带同轴电缆：局域网

宽带同轴电缆：有线电视

• 抗干扰性比双绞线好；传输距离远，价格也更贵

3、光纤

 

全反射原理，超低损耗，传送超远距离；

 

 

非导向性传输介质：自由传播

 

 

 

2.5.1 中继器

作用：再生数字信号，对衰减的信号的进行放大和整形（再生和还原）

• 两端的网络部分是网段而不是子网

• 没有纠错、检查功能

• 两端可连相同媒体，也可连不同媒体

• 中继器两端的网段一定要是同一个协议

  5-4-3规则：避免延迟过长

 

 

2.5.2 集线器（多口中继器）

作用：对信号进行再生放大转发，对衰减信号进行放大，接着转发到其他所有处于工作状态的端口上，以增加信号的传输距离；是共享式设备，不具备信号的定向传送能力

同一时间只能进行一组的通信，如果同时通信，则会平分带宽