计算机网络--第二章--物理层笔记

物理层的基本概念

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。

物理层的主要任务：确定传输媒体的接口的一些特性。

有哪些特性呢？

• 机械特性：例如接口的形状，大小，引线数目。

• 电气特性：电压的范围（-5v~+5v)。

• 功能特性：规定-5V表示0，+5V表示1。

• 过程特性：规定连接时各个部件的工作步骤。

  数据通信的基础知识

  典型的数据通信模型

  

在计算机中输入汉字其实计算机的信号就是数字比特流，数字比特流经过调至解调器转换成模拟信号；模拟信号通过公用电话网传送到另一台调制解调器，再转换成数字信号，最终被接收方的计算机接收并显示。

发送方的调制解调器被叫做发送器，接收方的调制解调器被称为接收器。

中间的传输系统其实指的就是公用电话网。

如果两台PC机通过交换机相连接，就不需要经过中间调至解调器的信号转换，直接发送和接收的就是数字信号而不是模拟信号。

相关术语

通信的目的就是传送消息

数据（data)：运送消息的实体。

信号（signal）：数据的电磁表现形式。

模拟信号：代表消息的取值是连续的。

数字信号：代表消息的取值是离散的。

码元（code)：代表不同离散值的基本波形就是码元。例如0代表-5v，1代表+5v，发送0101010101，每次读取波形对应的值就是码元。

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号被称为二进制码元。而这个码元是可以表示n比特的信息量。例如有个码元的取值范围是0~15，那最大的15用二进制表示为1111，也就是4个bit的信息量。

有关信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体，所以咱们平时所说的通信线路往往包含一条发送消息的信道和一条接收消息的信道。

单向通行：又称单工通信，只能有一个方向的通信没有反方向的通信。

双工交替通信：半双工通信，通信双方都可以发送信息，但是双方不能同时发送当然也不能同时接受。

双向同时通信：全双工通信，通信双方可以同时发送和接收信息。

基带信号和带通信号

基带信号来自信号源的信号。基带信号就是发出的直接表达要传输的信息的信号，比如说话的声波就是基带信号。

带通信号：把基带信号经过载波机调制后，信号的平凡为搬移到较高的频段。

因为基带信号在空气中传播较近所以需要转换称带通信号，当接收的时候有需要将带通信号转换成基带信号。如果近距离传播的话，计算机网络都采用基带传输，例如显示器，打印机。

对基带信号的几种调制方法

1. 调幅：调整图像的振幅，例如是1振幅就大，0就小些。

2. 调频：调整不同数字信号的频率，例如是1图像就密集一点，0就稀疏一点。

3. 调项：例如0代表正弦波，1代表余弦波，他们的方向不一样。

   

常用编码

单极性不归零码

只使用一个电压值，高电压表示1，没电压表示0

单极性归零码

单极性归零码就是以高电平和零电平分别表示二进制码1和0，而且在发送码是1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回0

双极性不归零码

用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。

双极性归零码

正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

曼切斯特编码

bit中间如果有信号，并且从低电为变为高电位表示0

bit中间如果有信号，并且从高电位变为低电位表示1

采用曼切斯特编码，一个时钟周期只能表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit，但是他能携带时钟信号，还能表示是否有数据传输。

差分曼切斯特编码

如果bit与bit之间有信号跳变（改变）那就表示0；如果没有改变那么下一个bit就表示1。

左图时钟周期与时钟周期之间由低电位变为高电位所以有跳变，因此第二个bit位就是0；

同样右图时钟周期与时钟周期之间没有信号的改变因此第二个bit位就表示为1.

差分曼切斯特编码和曼切斯特编码相同但是抗干扰能力强于曼切斯特编码。

信道极限容量

在发送信号的过程中，信号在实际的信道中受带宽影响，噪声干扰有可能失真。但是失真不一定无法识别，如果波形受影响较小仍然可以识别，但是失真大的话就无法识别。

奈氏准则

1924年，奈奎斯特推导出了著名的奈氏准则，他给出了在理想条件下（没有电磁干扰）为了避免码间串扰，码元的传输速率有上限值。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别称为不可能。（说白了就是码元在传输过程中如果传输的太快就会导致接收方识别失败，所以说是传输速率有上限值的）

​ 如果信道的频带越宽，也就是能够提高的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不会出现串扰。

香农公式

香农用信息论的理论推导出了由于带宽受限且有高斯噪声干扰，因此信道的极限、无差错的信息传输速率C可表示为：
$$C=Wlog2(1+\frac{S}{N})b/s$$

W：信道带宽

S：信道内部信号的平均功率

N：信道内部的高斯噪声功率

• 香农公式表明，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。
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到方法进行无差错传输。
• 若信道带宽W或信噪比没有上限，则C也没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

奈氏准则和香农公式的引用范围

• 香农公式的引用范围是模拟信号+数字信号

• 奈氏准则只适用于数字信号

物理层的传输媒体

导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒介传播。

那么固定媒介都有哪些呢？

双绞线

• 屏蔽双绞线STP
• 无屏蔽双绞线UTP

同轴电缆

• 50Ω同轴电缆，用于数字传输，因为多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
• 75Ω同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆。

光缆，其实就是光纤，传播光信号

网线

直通线：具体的线序制作是：双绞线夹线顺序是两边一致的，1：白橙，2：橙，3：白绿，4：蓝，5：白蓝，6：绿，7：白棕，8：棕。两端都是同样的线序。这就是百兆作线的标准即568B标准

直通线应用最为广泛，这种类型的以太网电缆用来实现下列连接：

• 主机到交换机或集线器
• 路由器到交换机或集线器

交叉电缆

应用范围：

• 交换机到交换机

• 集线器到集线器

• 主机到主机

• 集线器到交换机

• 路由器直连主机

  

光纤

光纤又分为单模光纤和多模光纤

单模光纤只能传输一种电磁波模式，多模光纤可以传输多种电磁波模式，实际上两者是根据纤芯的直径划分的，单模光纤细，多模光纤粗。有线电视使用的就是单模光纤，一根光纤可以传输60套电视节目。

非导向传输媒体

非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无限传输。

无线传输的频段很广，但是延迟较大。

短波通信靠的就是电离层的反射，但短波通信质量很差。

微波在空间中主要是直线传播。

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

集线器

工作特点：他在网络中只起到放大信号和重发的作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。

最大传输距离：100m

集线器是一个大的冲突域。这句话怎么理解呢？集线器将一台台电脑连接起来，在同一时刻只有两台计算机可以进行通信，并且比如A和B发送信息，那么在同一个集线器连接的C和D也能收到A发送B的信息，只不过C和D的MAC地址不是A要发送的地址所以不做处理，但是可以通过抓包工具获取A给B发送的信息。这就是一个大的冲突域，也表明了集线器不具备定向传送的能力。

当有多台计算机连接到同一个集线器上时，每台的带宽也就减少了，发送数据时因为同一时刻只能有两台计算机通信，所以需要等到合适的时间才能进行通信，这个也太麻烦了。

信道复用技术

信道复用技术是通信技术中的基本概念。

信道复用的话需要在接收方加收信号的之前分用给各个接收方。

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

频分复用的所有用户在同样的时间内占用不同的带宽资源。这里的带宽是频率带宽而不是数据的传输带宽。

应该 是波形，不是声波

多个信道经过频分复用变为一组信道，一组信道再经过频分复用变为一个超级组，到最后这些信道能承载的信息量（在图中也就是电话的声音信息）也就会越来越多。

时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定的序号时隙。

时分复用信号也被称为等时信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

图上的ABCD代表不同的用户，TDM时分复用帧，因此时分复用是在规定时间内，按照用户顺序占有线路资源。每TDM帧的线路资源都是相同的。

时分复用可能会造成线路资源的浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。光具有波动性，也可以理解为一种电磁波。

数字传输系统

脉码调制（PCM)技术最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话用的。

脉码调制有两个互不兼容的国际标准，北美的24路PCM简称T1，和欧洲的30路PCM简称E1。我国采用的是欧洲的PCM E1.

E1的速率是2.048Mb/s,T1的速率是1.544Mb/s。

宽带接入技术

其实是讨论我们采用什么技术接入Internet。

ADSL叫做非对称数字用户链路，通过电话线和分离器，光猫，这些连入你的电脑，通过ADSL广播上网。

上行和下行带宽不对称是ADSL的一大特点。

ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。

我国采用的是离散多音调技术（DMT）

DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的发哦短频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。

每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的音调进行数字调制。这种做法相当于在一对用户上使用许多小的调制解调器并行的传送数据。

光纤同轴混合网（Hybrid Fiber Coax)

HFC网是目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。

HFC除了可以传送有线电视外还提供了电话，数据和其他宽带交互性业务。

现有的电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC需要对有线电视网进行改造。

HFC最大的优点就是拥有相当大的覆盖面，通过有线电视网。

以上内容参考B站计算机网络教程