2.物理层

2.1 物理层的相关概念

2.1.1 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。
主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。

1. 机械特性：定义物理连接的特性，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（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

   2.1.2 数据通信基础知识

   1. 典型的数据通信模型

   

   2. 相关术语

   • 通信的目的是传送消息
   • 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
   • 信号：数据的电气或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式，
     • 数字信号：代表信息的参数取值是离散的。
     • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
   • 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。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
     • 按照传输信号分可以分为模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
     • 按照传输介质分可以分为无线信道、有线信道

       3. 三种通信方式

       从通信双方信息的交互方式看，可以有三种方式：

4. 两种数据传输方式

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离

• 并行传输：速度快，费用高，适合近距离

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  2.1.3 码元、波特、速率、带宽

  1. 码元

  码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号成为k进制码元，该时长成为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M>2）,此时码元为M进制码元。
  1码元可以携带多个比特的信息量。

  2. 速率

  数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

• 码元传播速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。可以是n进制，码元速率与进制数无关。即1s内可以传输多少个码元。

• 信息传输速率：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位是比特/秒。即1s内可以传输多少个比特。
• 关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。[注：码元所带信息量为 log（码元进制数）]

（例如：1个码元携带2bit信息量（00、01、10、11），1s可以传5个码元，则信息传输速率为5×2=10 bit/s）

3. 带宽

表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用回来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

2.1.4 奈氏准则与香农定理

1. 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

  2. 失真的一种现象——码间串扰

  
  4000hz出现码间串扰现象，可以理解为码元的传播速率太快了，距离很近，导致码元界限不清楚，会分不清。

  3. 奈氏准则

  

  4. 香农定理

  

2.1.5 编码与调制

1. 基带信号与宽带信号

• 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出了直接表达了要传输的信息的信号，比如声波。
• 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，既是信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

  2. 编码与调制

  使用编码手段利用数字发送器将数字数据转换为数字信号；使用调制手段利用调制器将数字数据转换为模拟信号。
  使用编码手段利用PCM编码器将模拟数据转换为数字信号；使用调制手段利用放大器调制器将模拟数据转换为模拟信号。

  (1) 数字数据编码为数字信号

  | 编码方式 | 特点 | 优缺点 | | :—-: | :—-: | :—-: | | 非归零编码（NRZ） | 高1低0 | 编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步 | | 曼彻斯特编码 | 将一个码元分成两个相等的间隔，前低后高表示码元0；前高后低表示1（也可以反过来） | 每一个码元中间发生跳变，每一次跳变既可以作为时钟信号（保持同步），也可以作为数字信号；他所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍，所以传输速率只有调制速率的一半。 | | 差分曼彻斯特编码 | 同1异0（若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若为0，则相反） | 常用于局域网传输。抗干扰性强于曼彻斯特编码。 | | 归零编码（RZ） | 信号电平在一个码元之内都要恢复到零 | 处于低电平的情况多，时间久，相当于信道未使用 | | 反向不归零编码（NRZI） | 信号电平翻转表示0，电平不变表示1 | 对于全0，一直在翻转，接收端就知道了；但是全1，一直不动，发送端和接收端需要确定时钟周期 | | 4B/5B编码 | 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方。 | 编码效率为80%，只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路状态信息等）或保留 |

(2) 数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

第四种：正交调幅调制（调幅+调相）

(3) 模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化），最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）达到最高保真水平，主要包括抽样、量化、编码。

• 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了是所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f≥2f
• 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
• 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

采样定理的解释：

(4) 模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。

2.2 物理层的传输介质

• 传输介质也成传输媒体或传输媒介，他就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
• 传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，可以认为第0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
• 传输介质分为两种： | 导向性传输介质 | 电磁波沿着固体媒介（铜线or光纤）被导向传播 | | :—-: | :—-: | | 非导向性传输介质 | 自由空间，如空气，水等等 |

2.2.1 导向性传输介质

1. 双绞线

分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线(UTP)

2. 同轴电缆

分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆

3. 光纤

根据入射角不同，可以分为多模光纤和单模光纤

光纤的特点：

• 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，也不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

  2.2.2 非导向性传输介质

  包括无线电波、微波、红外线激光等。
  

  2.3 物理层设备

  2.3.1 中继器

  
  注：5-4-3规则是为了限制中继器使用次数的，5是指不能超过5个网段，4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个，3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机

  2.3.2 集线器（多口中继器）

  

  3 第二章总结