【计算机网络】物理层

目录

物理层（Physical Layer）

编码和调制技术

在学习技术之前，我们在了解一个概念就是：信道上传送的信号有哪些？

编码与调制技术的概念：

这里插个重点：

PCM（脉冲编码调制）

SONET/SDH

链路建立和维护

物理介质访问

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物理层（Physical Layer）

物理层干了什么？

        在此之前，我们要想明白一个问题就是，我们发送的微信信息或者抖音刷到的视频，都是如何从远端发到我们的手机上，或者发送出去呢，数据不可能凭空传到我们手机上啊，他肯定是依靠某种通道，也就是我们要提到的传输介质，也就是说我们发送的数据实际上是依靠某种传输介质传输，至于方式我们接下来会说，现在我们要明白的就是，数据传输时需要有传输介质；

物理层其实就是将上层传给它的数据（也就是0和1组成的二进制串文件）转换成能够在传输介质上传输的东西，那么常见的传输介质有哪些呢？(在这里你只需知道他大概有哪些类型即可)

1. 双绞线（Twisted Pair）：

   • 用途：常用于以太网和电话系统等短距离通信。
   • 特点：包括无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）。UTP常用于传输速率较低的数据，而STP则提供更好的抗干扰能力。

2. 同轴电缆（Coaxial Cable）：

   • 用途：常用于有线电视、计算机网络和宽带接入等。
   • 特点：由中心导体、绝缘层、屏蔽层和外部绝缘层组成。同轴电缆的传输距离相对较短。

3. 光纤（Fiber Optic）：

   • 用途：广泛应用于长距离通信、数据中心和高速网络等领域。
   • 特点：使用光信号进行传输，具有高带宽、低损耗和抗干扰能力强的优点。光纤可以分为单模光纤和多模光纤两种类型。

4. 无线传输（Wireless）：

   • 用途：常用于移动通信、无线局域网（Wireless LAN，WLAN）和蓝牙等应用。
   • 特点：通过无线电波或红外线传输数据，提供灵活性和便携性。

        

认识了传输介质之后，我们就要思考比特流在传输介质中是如何传输的，这里就引入了物理层的编码与调制了，物理层会使用编码和调制技术将数字比特流转换为模拟信号或数字信号，以便在物理媒介中传输。这些技术将比特流映射为传输介质（如电缆、光纤、无线信道）中的电压、电流或光脉冲等。这里就涉及到物理层的一些技术，你已经宏观的理解物理层了，就可以去细节上学习主要技术了；

OK，截止到目前，我们完全了解了，物理层的主要作用就是，负责将比特流（0和1）通过物理媒介传输到指定的地方，也就是打包、传输和接收比特流，对实际物理媒介的特性（如电压、电流等）进行编码和解码。

得出传输介质概念：物理层使用不同的传输介质进行比特流的传输，如电缆（如双绞线、同轴电缆）、光纤、无线信道等。每种传输介质都有其特定的性能和特点，并可能需要不同的调制和编码方案。

编码和调制技术

编码和调制：物理层使用编码和调制技术将数字比特流转换为模拟信号或数字信号，以便在物理媒介中传输。这些技术将比特流映射为传输介质（如电缆、光纤、无线信道）中的电压、电流或光脉冲等。

在学习技术之前，我们在了解一个概念就是：信道上传送的信号有哪些？

基带信号：
将数字0、1用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。

宽带信号：
将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，再送模拟信道上传输（宽带传输）。

编码与调制技术的概念：

将数据转化为数字信号的过程称为编码。

将数据转化为模拟信号的过程称为调制。

 

这里主要说一下曼彻斯特以及差分曼彻斯特编码以及4B/5B编码格式：

曼彻斯特编码：将一个码元（图片上一个码元装了一个二进制数）分成两个相等的间隔，前低后高表示1，前高后低表示0，也可以采用相反的规定，（注意这里）

什么是码元？你可以认为是码值单元，就是一个用于装在传输介质中传输的数据的盒子，里面装的是比特数据；

差分曼彻斯特编码：常用于局域网传输，其规则是：若码元为一，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为零，则相反。0不变1变。抗干扰能力强于曼彻斯特编码，可实现自同步。

这里插个重点：

以太网使用的编码格式主要有两种常见的标准：Manchester 编码和 4B/5B 编码。（考选择题）

1. Manchester 编码：

   • 特点：每个比特被编码为两个等间隔的信号级别转变。低电平表示 0，高电平表示 1，传输的关键在信号电平的过渡边沿。
   • 优点：可以实现时钟同步，减少误码率。且数据中包含了时钟信息，可以检测到传输中的错误。
   • 缺点：需要较高的带宽，可靠性相对较低。

2. 4B/5B 编码：

   • 特点：每四个比特编码为五个比特进行传输。每个五比特码的位模式中，至少有两位跳变，确保传输中的时钟同步。
   • 优点：能够在传输层保证可靠的时钟同步，同时能够检测和纠正少量的错误。
   • 缺点：由于编码的额外开销，传输效率相对较低，实际传输速率会有所下降。

以上是以太网中常见的编码格式。不同的以太网标准和速率可能采用不同的编码方式，这些编码方式旨在提高传输可靠性、时钟同步和错误检测的能力，以支持高效的数据传输。

 在数字通行中，调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）相应的也被称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）而实现调制和解调功能的设备被称为  调制解调器（Modem）

说完数字数据转模拟信号和数字信号之后，我们再说一下模拟信号如何转数字信号:

PCM（脉冲编码调制）

        一般将模拟电话信号转换为数字信号目前采用的都是PCM技术，例如将一路模拟电话信号转换为64Kbit/s的PCM数字脉冲信号。

        为了充分利用高速传输线路的带宽，通常将多路PCM信号用TDM方法汇聚成时分复用帧，按照某种弄固定的复用结构进行长途传输；

        国际上存在两种互不兼容的PCM复用速率标准，北美24路PCM（简称T1）和欧美的30路PCM（简称E1），我国采用的是E1标准；

T1的速率为1.544Mbit/s

E1的速率为2.048Mbit/s

使用PCM技术将模拟信号转换成数字信号过程分三步： 

采样——量化——编码

值得注意的是，这里有个采样定理：采样的频率>2倍有效信号的最大频率，即8KHz；

一般题目会告诉你采样周期让你算采样频率，例如周期为125us ————得到采样频率为8KHz，二者互为导数；

只要采样频率大于或等于有效信号最高频率的两倍，采样值就可以包含原始信号的所有信息，被采样的信号就可以不失真地还原成原始信号。

SONET/SDH

SONET（Synchronous Optical Networking）和 SDH（Synchronous Digital Hierarchy）是一种光纤传输技术，用于在光纤网络中传输数据和语音等信息。

SONET是美国的标准，而SDH是国际上使用的对等标准，两者在原理和功能上基本相同。它们提供了高带宽、低延迟和高可靠性的光纤传输解决方案。

这个主要记的是下面这个表中的数值：

SONET 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以 51.84 Mbit/s为基础，此速率被称为第1级同步传送信号(Synchronous Transport Signal)，即STS-1；对光信号则称为第1级光载波(Optical Carrier )，即 OC-1。

链路建立和维护

链路建立和维护：物理层负责建立和维护物理连接，确保传输介质上的可靠数据传输。这可能涉及到连接建立、帧同步、时钟同步等技术和协议，以保持发送和接收设备之间的同步性。

物理介质访问

物理介质访问：当多个设备共享同一传输介质时，物理层需要使用物理介质访问技术来协调设备之间的访问。这些技术包括载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）、时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）、频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）等，以保证多个设备之间的数据不发生冲突。

以上的技术和方法帮助物理层将数字比特流转换为适合于传输介质的信号并进行传输，从而实现比特流的传输；

数据链路层（Data Link Layer）：

特点：负责传输数据帧（数据包）在相邻节点之间的可靠传输。

主要问题：通过帧同步、差错检测、流量控制和访问控制来提供可靠的点对点传输。

网络层（Network Layer）：

特点：负责在网络中选择和管理数据包的路由（路径）。

主要问题：包括地址分配、路由器的选择和路径选择，确保数据包能够从源节点发送到目标节点。

传输层（Transport Layer）：

特点：负责对端到端通信提供可靠的数据传输服务。

主要问题：在应用程序之间提供数据传输的可靠性、错误检测和修复，以及流量控制和拥塞控制。

应用层（Application Layer）：

特点：提供网络应用程序与用户进行交互的接口。

主要问题：包括各种网络应用程序，如电子邮件、文件传输、远程登录、Web 浏览器等的开发和运行。