【计算机网络】物理层（一）

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。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性定义标准

一、数据通信

典型的数据通信模型：

数据通信相关术语

通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）。

• 数据data：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/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。
模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。

• 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

信道的划分：

模拟信道与数字信道的区别

数字信道不能直接传输模拟信号，模拟信道也不能直接传输数字信号 。不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：

模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；

数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。

当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。

当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。

https://blog.csdn.net/yeahpeople/article/details/116431346

三种通信方式：

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。eg：广播

2.半双工通信/双向交替通信

通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
eg：对讲机

3.全双工通信/双向同时通信

通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
eg：打电话

数据通信基础知识

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，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于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。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

速率也叫数据率，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。

码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它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的次数），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。

信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

例题：

带宽（Bandwidth）

1.模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)。

2.数字设备中：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”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。 单位是比特每秒(bps)

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，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。

理想低通信道下的极限数据传输率 = $2Wlo{g}_{2}V$ （b/s）

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

例. 在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？

信号有4 x 4=16种变化 ，最大数据传输率=2 x 3k x4=24kb/s

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，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。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。 因此，信噪比就很重要。

信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：

$信噪比（dB）=10lo{g}_{10}(S/N)$

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

注：计算数据传输速率时，采用奈氏准则和香农定理计算，结果取小的值。

二、物理层传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它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。

（1）基带信号与宽带信号

注： 基带信号又分为：数字基带信号和模拟基带信号。但是在计算机网络中可以理解基带传输的是数字信号，宽带传输的是模拟信号。

（2）导向性传输介质

双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线
（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）。

在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。

光纤主要由纤芯(实心的！)和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，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，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

• 多模光纤与单模光纤

单模光纤与多模光纤的对比：
注：多模光纤只适用于近距离传输。

光纤的特点：
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2.抗雷电和电磁干扰性能好。
3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4.体积小，重量轻。

（3）非导向性传输介质

（4）物理层接口特性

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

三、物理层设备

1. 中继器

中继器的功能： 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长
网络的长度。

• 中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
• 中继器的两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
• 中继器两端的网段一定要是同一个协议。
• 中继器不会存储转发

5-4-3规则

5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

2. 集线器（多口中继器）

集线器的功能： 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作
状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

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