2016.6.10 计算机网络复习要点第二章物理层
2.1物理层的基本概念
**首先，物理层考虑的是怎么样才能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。
**物理层的作用是尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数控链路层感觉不到这些差异。
（1）物理层的主要任务：
机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等等。
电气特性：指明在接口电缆上的各条线上出现的电压范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压和表示何种意义
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
**数据在计算机中多采用并行传输方式，但是数据在通信线路上（传输媒体）的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑）
2.2数据通信的基础知识
（1）一个数据通信系统可以划分为三大部分：即源系统（发送端，发送方），传输系统，目标系统（接受端，接受方）。
源系统：
①源点（源站或信源）：源点设备产生要传输的数据
②发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码之后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器，现在很多PC选择使用内置的调制解调器。
目的系统:
①接收器:接收传输系统传过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的信息
②终点（目的站或信宿）:从接收器获取传出来的数字比特流
（2）常用术语：
①通信的目的是传输消息，例如话音，文字，图像，视频都是消息。
②数据是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列。
③信号是数据的电气或者电磁的表现。
（3）信号可以分为两大类：
①模拟信号，或连续信号：代表消息的参数的取值是连续的，用户家中的调制解调器到电话局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
②数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的，用户家中的PC到调制解调器之间，或在电话网中继器上传送的就是数字信号。
（4）有关信道的概念
①信道和电路并不相同，信道都是用来表示向某一方向传送信息的媒体。
②一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
③通信双方的信息交互方式：
单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播。
双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。
双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。
④基带信号：来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号），基带信号往往包括有较多的低频成分，许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为此，就需要对基带信号进行调制。
⑤调制：
基带调制（编码）：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性适应。变换后的信号仍然是基带信号。
载波调制（带通调制）：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样能够更好地在模拟信道中传输。
（5）常用的编码方式：
**不归零制：正电平代表1，负电平代表0.。
**归零制：正脉冲代表1,负脉冲代表0。
**曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。
**差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1。
（6）基本的带通调制（载波调制）方法：
**调幅（AM）：载波的，振幅，随基带数字信号而变化，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
**调频（FM）：载波的，频率，随基带数字信号而变化，0或1分别对应于频率f1或f2。
**调相（PM）：载波的，频率，随基带数字信号而变化，0或1分别对应于相位的0度或180度。
（7）信道的极限容量
**在接收端只要我们能从失真的波形中识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。
**限制码元在信道上传输速率的因素：
①信道能够通过的频率范围：具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。奈奎斯特准则给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
**在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能。
②信噪比（S/N）：信号的平均功率和噪声的平均功率之比。
**信噪比=10lg（S/N）（dB）
③香农公式：信道的极限信息传输速率C=Wlog2（1+S/N）（b/s）
**W为信道的带宽（HZ为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
④信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
⑤提高信息的传输速率的方法：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
2.3物理层下面的传输媒体
**传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
**在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播；在非导引型传播媒体就是自由空间，在非引导型传输媒体中电磁波的传播常称为无线传输。
（1）电磁波的频谱
**双绞线：10的4次方---10的6次方
**同轴电缆：10的5次方--10的9次方
**光纤：10的14次方--10的15次方
（2）双绞线
STP：屏蔽双绞线
UTP：无屏蔽双绞线。5个种类的UTP标准（从1类线到5类线）。
| 绞合线类型 | 带宽 | 典型应用 |
| 3 | 16MHZ | 低速网络；模拟电话 |
| 4 | 20MHZ | 短距离的10BASE-T以太网 |
| 5 | 100MHZ | 10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网 |
| 5E | 100MHZ | 100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T吉比特以太网 |
| 6 | 250MHZ | 1000BASE-T吉比特以太网；ATM网络 |
| 7 | 600MHZ | 只使用STP；可用于10吉比特以太网 |
（3）同轴电缆
**同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线），绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层，以及保护塑料外层所组成。
**同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
（4）光缆
**光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。
**由于可见光的频率非常高，约为10的8次方MHZ的量级，所以一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输媒体的带宽。
①光纤主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。由于包层较纤芯有较低的折射率，因此入射角足够大时，就会出现全反射，光就沿着光纤传输下去。
②多模光纤：存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。只适合于近距离的传输。
③单模光纤：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，使光线一直向前传播。
④光纤的特点：
**通信容量非常大
**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
**体积小，重量轻
（5）在导引型传输媒体中，还有一种是架空明线。在电线杆上架设的相互绝缘的明线。架空明线安装简单，但是通信质量差，受气候环境等影响较大。
（6）非引导型传输媒体
**利用无线信道进行信息的传输，是在运动中进行通信的唯一手段。
LF:低频，30kHZ--300kHZ
MF:中频，300kHZ--3MHZ
HF:高频，3MHZ--30MHZ
VHF:甚高频，30MHZ--300MHZ
UHF:特高频，300MHZ--3GHZ
SHF:超高频，3GHZ--30GHZ
EHF:极高频，30GHZ--300GHZ
**短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波通信质量较差。
**无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHZ--300GHZ。微波在空间中主要是直线传播。
**传统的微波通信主要有两种方式：即地面微波接力通信和卫星通信。
**由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干中继器。中继器把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站。
①微波接力通信的主要特点：
**微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；
**微波传输质量高
**微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区，江河。
缺点：
**相邻站之间必须直视（LOS视距）
**微波的传输有时也会受到恶劣天气的影响
**与电缆的通信系统相比，微波通信的隐蔽性和保密性较差
**对大量中继器的使用和维护要消耗较多的人力和物力；
②卫星通信的主要特点：
**最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。
**卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号受到的干扰也少，通信比较稳定。
**另一个特点就是具有较大的传播时延。
**安全性方面，卫星通信的保密性较差。
（7）**要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。
现在的无线局域网就使用其中的2.4GHZ和5.8GHZ频段
