计算机网络——物理层篇1

什么是物理层？

物理层是计算机网络的第一层，是整个计算机网络系统的基础，为数据传输提供可靠的环境。

物理层要解决的基本问题：如何在各种传输媒体上传输比特流0和1的问题。进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。

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，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

物理层的四大主要接口特性：
机械特性：指明接口作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，平常所见的插件都具有严格的标准化规定。
电器特性：接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性：某一电平的电压的意义
过程特性：对于不同功能各种可能时间出现的顺序

数据在计算机内部采用的是并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）是串行传输（比特按照时间顺序传输）
串行传输：

数据通过一条线路传输，一个一个比特依次传送，因此只需要一条线路。数据在进行远距离传输的时候用的是串行传输，不是并行传输。

并行传输：

数据通过多条线路传输，并行传输的优点是速度为串行传输的n倍，缺点是成本高，计算机内部数据的传输一般使用并行传输

同步传输和异步传输

数据库以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔，接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。

不同设备的时钟周期存在差异，不能做到完全相同，在传输大量数据的过程中判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号的判别位置错位，因此需要采取方法使收发双方的始终保持同步。

外同步发送端在发送数据信号的同时，另外发送一条时钟信号，接收端按照同步信号的节奏来接受数据。
内同步：发送端将时钟同步信号编码发送到数据中进行一起传输

使用异步传输方式时，以字节为独立的传输单位，字节之间的间隔时间不固定的（因此成为异步传输）。

接收端仅在每个字节的起始处的字节内的比特实现同步，为此，通常要在每个子节的前后分别加上起始位和结束位，异步指的是字节之间异步，字节之间的时间间隔不固定，但是，字节中的每个比特依旧要同步，各个比特的持续时间要相同。

数据通信的基础知识

一个通信系统可分为三大部分：源系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、收收方）

源系统：
源点（source）：源点设备产生传输的数据，例如计算机键盘输入的汉字或计算机产生输出的数字比特流，源点又被称为源站或信源

发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输，计算机自带的调制器

目的系统：
接收器：接收传输系统送过来的信号，并把信号转换成被目的设备处理的信息，解调器将信息还原成数字比特流

终点（destination）：从设备接收器获取传送过来的数字比特流，然后进行输出。又被称为目的站或信宿

常用术语
消息：通信传送的文字、图片、视频等

数据：数据是运送消息的实体

信号：数据的电气或电磁表现

模拟信号，或连续信号：消息参数的取值是连续的

数字信号，或离散信号：消息参数的取值是离散的

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

注：一个码元所携带的信息量是不固定的，而是由调制方式和编码决定的

信道的基本概念：

单向通信（单工通信）：一个方向的通信而没有反方向的交互（无线电、广播）

双向交替通信（半双工通信）：双方都可以发送信息，但不能同是发送（也不能同时接收）

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：来自信源的信号，例如计算机和CPU与内存之间传输的信号

基带调制：对基带信号的波形进行转换，使它可以使它能够与信道特性相适应，变换后的信号让然是基带信号（将数字信号转换为另一种数字信号又被称为编码）

模拟信号：例如麦克风收到声音后产生的音频信号

带通调制：将基带信号的频率搬移到较高的频段，变转换为模拟信号，通过载波调制的基带信号变为带通信号（仅在一段时间范围内能够通过信道）

常见的编码方式：

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：位周期的向上跳代表0，向下跳代表1（也可反定义）

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心出没有调动，位开始边界有跳代表1，没有跳代表0

从信号波形可以看出，曼彻斯特编码产生信号频率比不归零制高，从同步能力来看，不归零制不能从信号波本身中提取信号时钟频率（没有同步能力）

基本的带通调制方法：

调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。0表示无载波，1代表有载波输出
调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。0表示f1，1表示f2
调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。0代表0度，1代表180度

但是在以上基本调制方法中，1个码元只能包含1个比特信息。

正交振幅调制QAM：

QAM-16：

在QAM-16中有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选择。

调制方法可以调制出16种码元，要完整的表示这16种情况，码元内是二进制数据，因此至少需要4个二进制数，也就是4个比特数据，因此在QAM-16调制方法中，每个码元可以表示4个比特数据。

信道的极限容量：
限制码元在信道传输速率的因素：
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，信号中的许多高频分量往往不能通过信道

1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他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，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能

如果信道的频带越宽，也就是能够通过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出现码间串扰

2、信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S / N ，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB

信道的极限信息传输速率：

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。

物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体传播媒体传播。
同轴电缆：

生活中最常见的就是电视线。用于模拟传输。价格较贵，布线不够灵活方便。
双绞线：

双绞线是最古老又常用的传输媒体。也就是生活中最常见的网线。

双绞线的构成就是把两个互相绝缘的铜导线并排放在一起。按照一定规则绞合起来。因此称为双绞线。

绞合的作用：

抵御部分来自外界的电磁波干扰，减少来自相邻导线的电磁干扰。

根据绞合度的不同双绞线又分为3类线和5类线。
无论哪种类别的双绞线，衰减都是随频率的升高而增大的，其双绞线的最高传输速率还数字信号的编码有关。

光缆：

每一根光纤是非常细的，因此需要将他做成很结实的光缆，一根光缆少则只有一根光纤，多则可能有数十根甚至数百跟光纤。光纤的芯非常细。

光纤的工作原理：

重复进行此过程，使光一直不断地全反射指导到达终点

光纤的特点：
传输损耗小，中继距离长，对远距离传输经济
抗雷电和电磁干扰性能好（在有大电流脉冲干扰的环境下较重要）
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

非导引型传输媒体：
非导引型的传播媒体是自由空间。
电磁波频率过大对人体有害，因此一般使用介于无线电波到红外的频率来进行信息传播。

无线电波：

无线电波用于国际广播、海事和航空通讯等。

无线电波中的低频和中频端主要以地面波形式传播。高频和甚高频主要用电离层的反射传播。

微波：

微波用于无线电话、无线网络、雷达、人造卫星接受等。在数据通信中占有重要地位。

微波在空间中主要以直线传播。

传统的微波通信主要有地面微波接力通信和卫星通信。

其传播距离一般只有50公里左右。

红外线：

利用红外线传输数据，例如电视遥控等。

红外通信属于点对点无线传输。

不能越障，传输距离短，传输速率低。

可见光：

LIFI，可以实现使用可见光通信，但是目前还在实验室阶段。

无线电频谱管理机构

物理层到此大概讲解到一半，下篇文章接着对物理层的下半部分进行讲解。