计算机网络第二章--物理层

说明：

该笔记基于《计算机网络》--谢希仁版本编写

这篇笔记用于自我复习，水平有限，欢迎指正！

这篇笔记是我第一次使用Markdown编写的博客，排版有误请见谅。

2.1 物理层的基本概念

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(2~40GHz)

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。

电气特性

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

注意

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。

2.2 数据通信的基础知识

传输方式

1. 串行传输、并行传输

串行传输：

数据是一个比特一个比特发送的

数据在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路

并行传输：

一次发送N个比特

在发送端和接收端之间需要N条传输线

注意

并行传输成本高

速度使串行传输的N倍

计算机内部常采用并行传输(例如CPU与内存之间用总线进行传输 8位、16位)

2. 同步传输、异步传输

同步传输：

数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔

接收端在每个比特时段的中间时刻进行检测，判别接收到的是比特0还是比特1

收发双方时钟同步的方法

外同步：在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(例如曼彻斯特编码)

异步传输：

采用独立的传输单位、字节之间的时间间隔不是固定的

接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步，为此通常要在每个字节前后加上起始位和结束位

异步

字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)

字节中的没个比特仍然要同步(各个比特的持续时间是相同的)

3. 单向通信、双向交替通信、双向同时通信

单工(单向通信)

只用一个数据传输方向(例如：无线电广播)

只需要一条信道

半双工(双向交替通信)

双方可以相互传递数据但不能同时进行(例如：对讲机)

需要两条信道

全双工(双向同时通信)

双方可以同时传递接收信息(例如：电话)

需要两条信道

编码与调制

消息(文字、图片、音频、视频)

数据(二进制)运送消息的实体

信号：数据的电磁表现

基带信号：信源发出的原始信号

数字基带信号(例如：计算机内部CPU与内存)

模拟基带信号(例如：麦克风发出声音后产生的音频信号)

数字信道(编码)

模拟信道(调制)

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

常用编码

不归零编码

：在整个码元时间内电平不会出现零电平

正电平表示比特 1，负电平表示比特 0

如果有连续多个0/1电平，接收端如何判断？

1. 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

2. 对于计算机网络，宁愿利用这跟传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号

由于该编码方式存在同步问题，计算机网络传输数据中不采用这类编码

归零编码

1. 每个码元传输后信号都要归零，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

2. 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步信号”

3. 优点：自同步

缺点：编码效率低

曼彻斯特编码

：每个码元在其中间时刻发生跳变

负跳变表示比特 1，正跳变表示比特 0

码元中间时刻的跳变即表示时钟又表示数据(传统以太网使用曼彻斯特编码)

差分曼彻斯特编码

跳变仅表示时钟

码元开始处电平是否发生表示数据

基本调制方法

数字基带信号通过调制方法调制成模拟信号

调幅(AM)

无载波输出表示比特 0

有载波输出表示比特 1

调频(FM)

频率f1的波形表示比特 0

频率f2的波形表示比特 1

调相(PM)

初相位0度的波形表示比特 0

初相位180度的波形表示比特 1

使用基本调制方法，一个码元只能包含一个比特信息

混合调制

因为频率和相位是相关的，即频率和相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个

正交振幅调制(QAM)

通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制

QAM16

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)，每种码元可以对应表示4个比特

每个码元与4个比特的对应关系不能随便定义

任意两个相邻码元只有1个比特不同

信道极限容量

产生失真的因素

码元传输速率

信号传输距离

噪声干扰

传输媒体质量

奈氏准则

在理想条件下，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、调制频率、波形频率或符号频率，它与比特率有一定关系

当1个码元只携带1比特的信息量是，即波特率(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，即波特率转换成比特率时，数值要乘以n

要提高信息传输速率(比特率)就必须设法使每一个码元能携带多个比特的信息量。这需要多元制(混合调制)

实际的信道所能传输的最高码元效率，要明显低于带式准则给出的这个上限数值

香浓公式

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

C=W

C : 信道的极限信息传输速率(单位：b/s)

W : 信道带宽(单位：Hz)

S : 信道内所传信号的平均功率

N : 信号内的高斯噪声功率

S/N: 信噪比，使用分贝(dB)作为度量单位

信噪比(dB)：

dB = 10

(dB)

2.3物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

同轴电缆

基带同轴电缆(50 Ω)

数字传输、过去用于局域网

+ 宽带同轴电缆(75 Ω)

> 模拟传输、目前主要用于有线电视

双绞线

无屏蔽双绞线电缆

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

屏蔽双绞线电缆

光纤

纤芯直径

多模光纤：50微米，62.5微米 (只适合近距离传输【建筑物内】)

单模光纤：9微米 (适合长距离传输，价格昂贵)

包层直径不超过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)

光纤的优点

通信容量大(25000~300000GHz的带宽)

传输损耗小，远距离传输时更经济

抗雷电和电磁干扰性好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要

无传音干扰，保密性好，不易被窃听

体积小，重量轻

电力线

非导引型传输媒体

无线电波

低频和中频(LF、MF) 主要靠地面波

高频和甚高频(HF、VHF) 主要靠电离层的反射

微波

地面微波接力通信

卫星通信(通信距离远，传播时延大)

红外线

点对点无线传输

直线传输、中间不能有障碍物、传播距离短

传输速率低(4 Mb/s~16 Mb/s)

可见光

信道复用技术

信道复用

复用是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。

当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可利用服用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。

常用的信道复用技术

频分复用 FDM

: 频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信

时分复用 TDM

: 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

波分复用 WDM

码分复用 CDM

在CDMA(码分多址)中，每一个鼻涕时间在划分为m个短的间隔，称为码片。通常m的值是64或128

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列

一个站如果要发送比特 1，则发送它自己的 m bit码片序列

一个站如果要发送比特 0，则发送它自己的 m bit码片序列的二进制反码

【举例】

指派给CDMA系统中某个站点的码片序列为 00011011

发送比特 1： 发送自己的码片序列 00011011

发送比特 0： 发送自己的码片序列的二进制反码 11100100

[为了方便，我们按惯例将码片序列中的 0 写为 -1 ，将 1 写为 +1]

则该站点的码片序列为(-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1)

码片序列的挑选原则如下：

分配给每个站的码片序列必须各不相同

分配个每个站的码片序列必须相互正交

不严格区分多址和复用的概念