计算机网络 --- 物理层（学习笔记）

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2. 物理层

2.1 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，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

物理层协议的主要任务：

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。
电器特性：指明在接口电缆的各条线，上出现的电压的范围。
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。

2.2 物理层下面的传输媒体（了解）

2.2.1 导引型传输媒体

同轴电缆

基带同轴电缆（50Ω）：数字传输，过去用于局域网
带宽同轴电缆（75Ω）：模拟传输，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

双绞线

绞合的作用
- 抵御部分来自外界的电磁波干扰
- 减少相邻导线的电磁干扰

光纤

纤芯直径
- 多模光纤：50微米，62.5微米
- 单模光纤：9微米
包层直径：125微米
工作波长
- 0.85微米（衰减较大）
- 1.30微米（衰减较小）
- 1.55微米（衰减较小）
优点
- 通信容量大（25000~30000GHz的带宽）
- 传输损耗小，远距离传输时更加经济。
- 抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
- 无串音干扰，保密性好，不易被窃听。
- 体积小，重量轻。
缺点：割接需要专用设备；光电接口价格较贵

光在光纤中传输的基本原理：

光纤的组成：

光在光纤中的传输：

当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角
因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯

多模光纤：光在纤芯中的传输方式是不断地全反射

单模光纤：光在纤芯中一直向前传播而不发生全反射

电力线

2.2.2 非导引型传输媒体

我们可以利用电磁波在自由空间地传播来传送数据信息

无线电波和微波

红外线

点对点无线传输
直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低(4Mb/s~1 6Mb/s)

可见光

LED照明光无线通信在国外也还处在起步和摸索阶段，如果两个房间内的网络设备要基于LiFi通信，如何做到可见光的同步？目前还在研发阶段，但其应用前景非常看好。

2.3 传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，因此，在发送端和接收端之间，只需要一条数据传输线即可
并行传输：一次发送n个比特而不是一个比特，因此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路
- 优点：速度为从串行传输的n倍
- 缺点：成本高

2.3.2 同步传输和异步传输

同步传输时，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1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据过程中，所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。因此需要采取方法使收发双方的时钟保持同步。

2.3.3 单项通信(单工)，双向交替通信(半双工)和双向同时通信(全双工)

2.4 编码与调制

**码原：**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。

**传输媒体和信道的关系：**严格来说，传输媒体和信道不能之间划等号

2.4.1 常用编码

不归零编码：

归零编码：

曼彻斯特编码：

差分曼彻斯特编码：

例题：

2.4.2 基本调制方法

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。为了能使1个码原包含更多的比特，可以采用混合调制方法

2.4.3 混合调制方法：

2.5 信道的极限容量

2.5.1 失真

失真的因素：

码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量

2.5.2 奈氏准则

2.5.3 香浓公式

综合来看奈氏准则和香浓公式

例题：

2.6 章节总结 — 思维导图

PDF版本：「二、物理层.pdf」https://www.aliyundrive.com/s/PoTqRSD97oS 提取码: lq54
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