计算机网络——物理层

物理层概述

物理层要实现的功能

物理层要实现的功能就是在各种传输媒体上传输比特0和1进而给其上面的数据链路层提供透明传输比特流的服务

各种传输媒体包括双绞线、光纤等导引型传输媒体和非导引型传输媒体即自由空间中的无线信道。

物理层为数据链路层屏蔽掉了各类传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只考虑如何实现本层的协议和服务，而无需知道网络具体使用的传输媒体和通信手段是什么。

物理层接口特性

为了实现物理层的功能，物理层定义了与传输媒体的接口有关的一些特性，按相同接口标准生产的不同厂家的网络设备接口可以相互连接和通信。这些接口特性分别是机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

物理层下面的传输媒体

传输媒体分类

导向型媒体和非导向型媒体

导向型传输媒体

同轴电缆

由于外屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰型，被广泛应用于高速率数据传输

双绞线

屏蔽双绞线电缆显然比无屏蔽双绞线电缆要贵一些。

双绞线绞合情况以及绞合的作用：

光纤

光纤通信

光纤构造

光纤特点

多模光纤

单模光纤

常用的三个光波波段的中心波长

由光纤构成光缆

光纤的优缺点

非导向型传输媒体

无线电频谱管理机构

无线电波

无线电波很容易产生并且传播距离很远，因此无线电波被广泛应用于通信领域

微波

微波在空间中主要是直线传播，由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像高频和甚高频的无线电波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方，传统的微波通信主要有两种方式，一种是地面微波接力通信，另一种是卫星通信。

红外线

我们生活中利用红外线通信的应用随处可见，例如很多家用电器都配有红外遥控器，以前的笔记本电脑都带有红外接口可以进行短距离的红外通信。

由于上述约束，现在的笔记本电脑已经取消了红外接口，但很多智能手机都带有红外接口以方便用户对电视、空调等家用电器进行红外遥控。

激光

激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好以及相干性强等特征。按传输媒体的不同可分为大气激光通信和光纤通信。

可见光

可见光通信

传输方式

串行传输和并行传输

对比串行传输和并行传输，若比特在单条数据传输线路上的数据传输速率相同，则并行传输的数据传输速率是串行传输的数据传输速率的n倍。（倍数n取决于并行传输所采用的数据传输线路的数量也成为数据总线宽度，常用的有8位、16位、32位以及64位）

并行传输的成本高，通常仅用于短距离传输，例如计算机内部的数据传输；而远距离传输一般采用串行传输方式，计算机中的网卡同时具有串行传输和并行传输方式。

当计算机中通过内部的网卡，将数据发送到传输线路上时，网卡起到的一个非常重要的作用就是并/串转换。当计算机通过其内部网卡从传输线路上接收数据时，网卡需要进行串/并转换。

同步传输和异步传输

同步传输

异步传输

不是时间异步而是字节之间异步

单向通信、双向通信和双向同时通信

单向通信

单向通信是指只能有一个方向的通信又称为单工通信

无线电广播和电视广播都属于单工通信。

双向通信

双向通信是指通信双方都可以发送和接收信息，但对于任何一方，发送信息和接收信息不能同时进行，又称为半双工通信。

这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。对讲机之间，总线型以太网上的个主机之间都属于双向交替通信。

双向同时通信

双向同时通信是指通信双方都可以同时发送和接收信息又称为全双工通信。

这种通信方式的任何一方可以同时发送信息和接收信息。传统有线电话之间，交换式以太网上的个主机之间都属于双向同时通信。

综上所述，单向信道只需要一条信道，而双向交替通信和双向同时通信都需要两条信道，每个方向各一条。需要注意的是，单工电台中的单工表示的是双向交替通信并不表示单向通信。

编码与调制

编码与调制的基本概念

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。

码元：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元

常用编码方式

双极性不归零编码

双极性归零编码

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

基本的带通调制方法和混合调制方法

基本的带通调制方法

使用下面混合调制方法可以使一个码元包含多个比特

混合调制方法

物理层的主要内容就是解决比特0和1在线路上传输的问题

信道的极限容量

造成信号失真的主要因素

任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时不可避免地都会产生失真

信号失真

造成信号失真的主要因素

奈式准则

一个码元最少携带一个比特，可以使用混合调制技术使一个码元携带多个比特

香农公式

信道复用技术

信道复用技术的基本原理

常见的信道复用技术