物理层的基本概念

  • 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，而不用考虑网络具体的传输媒体。

  • 传输媒体：

    • 导引型传输媒体：
      • 双绞线
      • 同轴电缆
      • 光纤
    • 非导引型传输媒体：
      • 微波通信

  • 物理层协议的主要任务：

    • 机械特性:指明接口所用接线的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
    • 电气特性：指明在接口电缆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。

      物理层下面的传输媒体(了解即可)

      注：传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层

      分类

  • 导引型传输媒体

    • 同轴电缆

image.png

  1.   - 基带同轴电缆（50Ω）

数字传输，过去用于局域网

  1.   - 宽带同轴电缆（75Ω）

模拟传输

  • 双绞线

同轴电缆价格较贵且不够灵活，随着集线器出现，在局域网领基本都采用双绞线作为传输媒体
image.png
两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，按照一定规则绞合起来
绞合的所用：

  1.      - 抵御部分来自外界的电磁干扰
  2.      - 减少相邻导线的电磁干扰
  • 光纤

光纤非常细，要搞成光缆，光缆总少则一根光纤，多则上百根。

  1.      - 光纤的优点：
  2.         - 通信容量大（25000~30000GHz的带宽）
  3.         - 传输损耗小，远距离传输时更加经济
  4.         - 抗雷电和电磁干扰的性能好。
  5.         - 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
  6.         - 体积小重量轻
  7.      - 缺点：
  8.         - 割接需要专用设备
  9.         - 接口价格贵
  • 电力线
  • 非导引型传输媒体

image.png

  • 无线电波
  • 微波
  • 红外线
  • 可见光

    传输方式

    串行传输和并行传输

    串行传输：
    数据是一个比特一个比特一次传输的，在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可
    并行传输：
    一次发送n个比特，而不是一个1个比特在发送端和接收端之间要有n条传输线路

并行传输的速度是串行传输的n倍

同步传输和异步传输

同步传输：
数据块以稳定的比特流的的形式传输，字节之间没有间隔，接收端在每个比特信号的中时刻进行检测
image.png
不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，传输大量数据的过程中，产生的判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号的判别错位，因此要想办法保持时钟同步

  • 外同步：收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
  • 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（如曼切斯特编码）

异步传输：
异步传输以字节作为独立的传输单位，字节间的时间间隔不同步，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步，所以通常要在字节前后加上起始位和结束位。
image.png

  • 字节之间异步（字节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

单向通信（单工）：通信双方只有一个数据传输方向，例如无线电广播
双向交替通信（半双工）：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行，例如对讲机
双向同时通信（全双工）： 通信双方可以同时发送和接收信息，例如电话

编码与调制

消息（文字，图片，音频，视频）在运送中的实体是数据，数据是二进制的，数据的电磁表现为信号，由信源发出的原始电信号称为基带信号基带信号分为以下两种：
数字基带信号：计算机内部CPU与内存之间传输的信号
模拟基带信号：麦克风收到声音后产生的音频信号
信号要在信道中进行传输，信道分为数字信道和模拟信道

  • 对数字基带信号的波形进行变换，称为编码，编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输，例如以太网采用曼切斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码
  • 把数字信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制，调制后产生的模拟信号可以在模拟信道中传输
  • 对模拟基带信号也有编码和调制，编码后的信号是数字基带信号，调制后的信号是模拟基带信号

image.png

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。简单来说，码元就是构成信号的一段波形
image.png
这个信号由两种码元构成

常用编码

不归零编码（存在同步问题）

image.png
如何判断是一个码元，还是两个码元，还是三个码元：、

  • 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
  • 但是在计算机网络中，宁愿用这跟传输线传输数据信号，也不传输时钟信号

  • 所以不归零编码存在同步问题，计算机网络中不采用不归零编码

    归零编码（自同步，编码效率低）

    image.png

  • 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采样即可，不需要单独的时钟信号

  • 归零编码相当于把时钟信号以归零的方式编码进了数据中，这称为”自同步”信号。
  • 但是，归零编码中大量数据带宽用来传输”归零”，而浪费掉了

    曼彻斯特编码

    image.png
    在每个码元的中间时刻，信号会发生跳变，例如：负跳变表示比特1，正跳变表示比特0，做题的时候可以自行假设
    码元中间时刻的跳变，既表示时钟，又表示数据

    差分曼彻斯特编码

    image.png
    跳变表示时钟
    码元开始处点平是否发生变化表示数据
    比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

基本调制方法

image.png
使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息

混合调制举例

  • 因为频率和相位是相关的，频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调制其中的一个

  • 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-16

    • 12种相位
    • 每种相位有1或2种振幅可选
    • 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应4个比特
    • 码元与四个比特的对应关系应该采用格雷码（任意连个相邻码元只有1个比特不同）

image.png

信道的极限容量

码间串扰：输入信号通过通信质量不好的信道后，输出波形可能失真严重，无法识别

产生失真的因素：

  • 码元传输速率
  • 信号传输举例
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量

奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的

  • 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒
  • 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W 码元/秒

W:信道带宽（单位为HZ）
Baud:波特，即码元/秒

  • 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：
    • 当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率与（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的；
    • 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换为比特率要乘以n。
  • 要提高信息的传输速率就必须设法提高每个码元能提高的信息量，这需要采用多元制。
  • 实际信道能传输的最高码元速率，要明显低于奈式准则给出的这个上限数值。

信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道种传输时的信躁比。

香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
image.png
信噪比越高，极限传输速率就越高

习题