【计算机网络】物理层
2021-03-20 03:12:08 #计算机网络  #计算机网络 

物理层

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

主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 —> 定义标准

  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、抗阻匹配、传输速率和距离限制等
  3. 功能特性：指明某条线上的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线用途
  4. 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信

概念

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数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。在计算机上的表现形式是二进制

信号：数据的电气/电磁表现，是数据在传输过程中的表现形式

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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

信道分类

传输信号：模拟信道、数字信道

传输介质：有线信道、无线信道

通信方式

  1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
  2. 半双工通信：通信双方都可以接收或发送信息，但任何一方不能同时接收和发送，需要两条信道
  3. 全双工通信：通信双方可以同时接收或发送信息，也需要两条信道

数据传输方式

  1. 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离（一条线完成，花钱少）

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  2. 并行传输：速度快，费用高，适合近距离

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计算相关概念

码元

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。固定时长被称为码元宽度

码元的离散状态有 M 个时（M>2），称为 M 进制码元

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1 码元可以携带多个比特的信息量。如上图，二进制下，1 码元携带一个比特的信息；四进制下，1 码元携带两个比特的信息

速率

数据率，数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量

传输速率：信号在信源到信道的速率，1s 传送多少信息到信道上

传播速率：信息依据载体（光波、电磁波）在一定长度的信道上传播的速率

  1. 码元传输速率：1s 传输多少个码元，单位波特（Baud），1Baud=1 码元/s
  2. 信息传输速率：1s 传输多少个比特，单位 b/s

根据码元的进制，可以知道两者关系。

一个二进制码元携带一位比特，则 1Baud=1b/s

一个四进制码元携带两位比特，则 1Baud=2b/s

携带 n 个 bit 的码元，在 M Baud 的情况下，信息传输速率是 n*M bit/s

带宽

单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的最高数据率，一般来说是理想状态下能达到，表示线路传输数据的能力，单位是 b/s

失真

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影响失真程度的因素：

  1. 码元传送速率
  2. 信号传输距离
  3. 噪声干扰
  4. 传输媒体质量

码间串扰

失真的一种现象

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信号带宽 过低：信号传输过程中容易衰竭，受到损耗，最终无法接收

信号带宽过高：频率太高，码元间隔太小，接收端无法区分波形差异

码间串扰就是指接收端收到的信号失去了码元之间清晰界限的现象（信号带宽过高）

奈氏准则

在理想低通条件（无噪声，带宽受限）下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W 是信道带宽，单位是 Hz

每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，则将出现码元之间的互相干扰，以致在接收端就无法正确判定码元是 1 还是 0

极限数据传输率 = （b/s）

W：带宽（Hz）

V：几种码元

例：无噪声，带宽 3kHz，四相位，每个相位 4 种振幅

​ 4 x 4 = 16 种码元

​ 最大数据传输率 =

  1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的
  2. 信道的频带越宽（最高频率和最低频率的差值越大），码元的有效传输速率越大
  3. 奈氏准则限制的是码元传输速率，想要提高数据传输速率，可以提高码元携带的信息量

香农定理

信噪比 ：信号的平均功率/噪声的平均功率，记作 S/N，分贝（dB）为单位

信噪比（dB） =

在带宽受限且有噪声的信道中，极限数据传输速率 = （b/s）

当直接给出信噪比，没有单位时，相当于给出的是 S/N

当给出的信噪比的单位是 dB 时，需要用公式转换得到 S/N

只要信息传输速率低于极限速率，那么一定有方法可以实现无差错传输

编码调制

信号

基带信号：来自信源的信号，直接表达了要传输的信息的信号

电脑中表示 1/0 的高低电压（数字信号），人说话的声音（模拟信号），没有经过处理（所以叫来自信源的信号），都算基带信号

宽带信号：对基带信号经过载波调制后，将信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输

调制解调器对电脑传出的数字信号进行调制，改变频率，通过无线或光纤等方式传播；人说话的声音被录制下来以后也经过调制，通过广播发送到大江南北；这种对基带信号进行处理后发出的信号就是宽带信号

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，信号内容不易发生变化）

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，对信号做调制以便避免失真）

编码

1
2
graph LR;
	数字数据--数字发送器-->数字信号

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  1. 非归零编码【NRZ】：高电平为 1，低电平为 0；没有检错功能，无法判断码元的开始和结束，难以保持同步（如果发送一长串 1，保持高电平，无法判断发送了几个 1）

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  2. 归零编码【RZ】：信号电平在一个码元之内都要恢复到零这种编码方式

    ​ image-20210309133753918

  3. 反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示 0，不变表示 1（如果一直是 1，又找不到码元的分界了）

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  4. 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，1 可以表示为前低后高/前高后低（看规定是怎么搞的），0 表示则相反

    优点：相比于 NRZ，利用每次电平的跳变实现了同步机制，保证发送端和接收端信号同步

    缺点：曼彻斯特编码的频率比 NRZ 高一倍，传输等量数据所需的带宽大一倍（每一个码元都被调成了两个电平，所以会扩大）

    image-20210309135511658

  5. 差分曼彻斯特编码：常用于局域网传输，若当前码元为 1，则当前码元的前半个电平与前一个码元的后半个电平一致，如果码元为 0，则不一致，也就是同 1 异 0。实现自同步，抗干扰性强于曼彻斯特编码

​ image-20210309145241938

  1. 4B/5B 编码：在比特流中插入额外的比特，打破一连串的 0 或 1，即用 5 个比特来编码 4 个比特的数据，编码效率为 80%
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2
graph LR;
	模拟数据--PCM编码器-->数字信号

计算机处理的都是数字音频（二进制数据），对于模拟音频（连续的模拟信号）需要通过采样、量化和编码转换成数字音频（离散的数字信号）

通过 PCM 编码对音频信号进行高保真的编码调制

  1. 抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，采样频率信号最高频率
  2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为相应的数字值，并取整数。即将连续的电平幅值转换为离散的数字量
  3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

调制

1
2
graph LR;
	数字数据--调制器-->模拟信号

在发送端将数字信号调制成模拟信号，在接收端将模拟信号解调成数字信号

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调幅 + 调相【QAM】：某通信链路的波特率是 1200Baud，采用 4 个相位，每个相位 4 种振幅的 QAM 调制技术，该链路的信息传输速率？

4 相位 4 振幅：4*4=16 种信息 需要 种表示，也就是每个波形由一个四进制表示

则一个码元代表一个四进制，即四个比特

则 

1
2
graph LR;
	模拟数据--放大器调制器-->模拟信号

为了实现传输的有效性，防止传输过程中的衰减，提高信号的频率。

比如录音台录制的人声，频率较低，如果直接通过广播传送出去，在传送过程中可能会有衰减，导致失真。通过调制（频分复用技术），将频率提高（不易损失），接收方接收后再解调得到相应的人声

物理层传输介质

传输介质：也叫传输媒体/传输媒介，数据传输系统中再发送设备和接收设备之间的物理通路

传输介质不是物理层：传输介质只会机械的传输信号，并不了解信号所代表的意思。物理层通过规定电气特性来识别信号的意义（比如低电平表示 0，高电平表示 1）

  1. 导向型传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（光纤/铜线）传播

    双绞线（屏蔽双绞线 STP，非屏蔽双绞线 UTP）

    同轴电缆（基带同轴电缆，宽带同轴电缆）

    光纤：传递光脉冲，可见光频率极大，带宽远大于其他传输介质的带宽 ，传输损耗小（远距离）

  2. 非导向型传输介质：自由空间，空气、真空、海水等

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物理层设备

中继器

再生数字信号：对衰减的数字信号进行再生和还原，保持与源数据相同，增加信号传输的距离，延长网络长度

中继器的两端：

  1. 两端的网络部分是网段，不是子网，互连的两类网络完全相同，网段速率相同
  2. 中继器只是将传输介质上的数据传送到另一个传输介质上，不管数据对不对
  3. 两端可连相同媒体，可连不同媒体
  4. 中继器两端的网段一定是同一个协议

5-4-3 规则：5 个网段，4 个物理层设备，3 个网段可以挂接工作站

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集线器（多口中继器）

对信号进行再生放大转发，对衰减信号进行放大，转发到其他所有的工作端口（除了输入端口），用以增加信号传输距离，延长网络长度。不具备定向发送信号能力，是共享式设备

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A 设备向 B 设备传入信号，经过集线器转发（大大延长了传输距离）。B 设备接收到信号并处理。C/D/E 设备也可以接收到信号，但是一看信息头，发现跟自己没关系，就把信息丢掉不处理