【计网】二、物理层

前言:

考虑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，使数据链路层只需要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

一个数据通信流程的例子：

1. ★物理层协议主要任务

• 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

2. 传输媒体

导引型传输媒体

有摸得到的实物进行传导信号的方式

①同轴电缆

电缆各层都是同轴心的，因此称同轴电缆

基带同轴电缆(50$\Omega$)：数字传输，过去用于局域网
宽带同轴电缆(75$\Omega$)：模拟传输，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体

②★双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则绞合起来就构成了双绞线，这是一种古老且常用的传输媒体

常用绞合线类别、带宽和典型应用

UTP

无屏蔽双绞线UTP电缆

• 蓝线和蓝白线绞合
• 橙线和橙白线绞合
• 绿线和绿白线绞合
• 棕线和棕白线绞合

作用：①抵御部分来自外界的电磁波干扰 ②减少相邻导线的电磁干扰

STP

屏蔽双绞线STP电缆，其与UTP相比增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰能力

③★光纤

光纤很细，因此必须将其做成结实的光缆。一根光缆少则一根光纤，多则可包括数百根

原理

如果全反射一直进行，则光就会沿着光纤一直传输下去。

实际上只要入射角大于某个临界角度就可以发生全反射，因此多条不同角度的光可以在光线里一起传输，这种光纤称作多模光纤

• 由于色散(模式、材料、波导色散)，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生失真(脉冲展宽)
• 因此多模光纤只适合近距离传输(建筑物内)
• 发送光源可使用发光二极管(便宜)；接收检测可用光电二极管

若光纤直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导一样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤称作单模光纤

• 没有模式色散，在1.31微米波长附近，材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消
• 单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高
• 发送光源需要使用激光发生器(贵)；接收检测用激光检波器

纤芯直径

• 多模光纤：50微米，62.5微米
• 单模光纤：9微米
• 纤芯外包层：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)

优点

• 通信容量大(25000~30000GHz的带宽)
• 传输损耗小，远距离传输时更加经济
• 抗雷电和抗电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰环境下尤为重要
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
• 体积小，重量轻

缺点

• 割接需要专用设备
• 光电接口价格较贵

④电力线

非导引型传输媒体

传导信号的东西摸不到

①无线电波

低频和中频频段用地面波传播；高频和甚高频靠电离层(地球上方100~500千米高空的带电离子层)反射

②★微波

微波会穿透电离层进入宇宙，因此其不能通过电离层反射到很远的地方

地面微波接力通信

微波是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此传播距离受到限制，一般只有50KM左右；如果采用100米高的天线塔，则传播距离可增大到100公里。
为实现远距离通信，必须在一个微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一阵送来的信号经过放大后再发送到下一站

卫星通信

在地球站之间，利用位于约36000KM高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力，其最大特点是通信距离远，传播时延大(约250~300ms)。低轨道卫星通信系统也已经正在部署

③红外线

• 点对点无线传输
• 直线传播，中间不能有障碍物，传输距离短
• 传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)

④可见光

即光源作为信号源，前景好，暂时未被大范围应用

LIFI也

3. 传输方式

★串行/并行传输

串行传输是指数据是1个比特1个比特依次发送的，发送端与接收端之间只用1条数据传输线即可
并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特，在发送端和接收端之间要有n条传输线路

在计算机网络中，数据在传输线路上的传输时串行传输；而计算机内部(如CPU和内存)多使用并行传输

★同步传输

数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻(有区分0,1的标志)进行检测，以判别接收到的是比特0还是1。
由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号的判别错位。因此需要采取方法使双方的时钟保持同步

收发双方时钟同步方法

• **外同步：**在收发双方之间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(如曼彻斯特编码)

★异步传输

以字节为独立的传输单位，字节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，为此通常传送前要在每个字节前后加上起始位和结束位。

• 异步是指字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)
• 字节中的每个比特仍然要同步(各比特的持续时间是相同的)

单工/半双工/全双工

• 单工通信：通信双方只有一个数据传输方向(无线电广播)
• 半双工通信：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行(对讲机)
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收消息(电话)

单工需要一条信道；其他的需要两条(一个方向一条)

4. 编码与调制

• 消息(message)包括文字、图片、音频和视频
• 数据是运送消息的实体；计算机中的网卡将比特1和0变换成相应电信号发送到网线，即信号。
• 信号是数据的电磁表现，由信源(网卡)发出的原始电信号称为基带信号
• 基带信号又分为数字基带信号(CPU和内存传输的信号)和模拟基带信号(麦克风收到声音后转变的电信号)

信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道和模拟信道

如果使用信道复用技术，传输媒体里可以有多个信道

在不改变信号性质的前提下，仅对基带信号的波形进行变换，称为**编码**。编码后产生的信号还是数字信号，可以在数字信道中传输

把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为**调制**。调制后产生的信号还是模拟信号，可以在模拟信道中传输

常用编码

①不归零编码

正电平代表比特1，负电平代表比特0。在整个码元时间内，电平不会出现零电平

这种编码方式如何区分连续几个相同电平呢？

这要求发送方发送和接收方接收严格同步，这就需要额外一根传输线来传输时钟信号。接收方按照时钟节拍逐个接收码元。但是对于计算机网络，多的线不如拿来传输数据，因此由于存在同步问题，计算机中的数据传输不使用不归零编码

②归零编码

每个码元传输结束后信号都要"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。

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

归零编码中的大部分数据带宽都用来传输"归零"而浪费掉了(编码效率低)

③曼彻斯特编码

码元的中间时刻既表示时钟，又表示数据。根据正负跳变来区分比特

具体如何根据跳变实现同步？

第一次数据跳变的时间记录下来【即半个码元的时间】，此后每过一个码元的时间就进行检测，根据跳变方向决定数据为0还是1。

④差分曼彻斯特编码

①跳变仅表示时钟 ②码元开始处电平是否发生变化表示数据。
比曼彻斯特变化少，更适合较高的传输速率

基本调制方法

如上一个码元对应一个比特，如何能让1个码元包含多个比特呢？

可以使用混合调制。正弦信号$A\sin \omega (x+\frac{\phi }{\omega })$，相位和频率是相关的，因此二者不可同时做修改
通常情况下，相位和振幅可以结合起来其一调制，称为正交振幅调制QAM

QAM-16

• 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)，即16个形状可以用4个二进制位排列组合表示，所以一个码元可以对应4比特
• 码元与4个比特的对应关系要采用格雷码【任意两个相邻码元只有一位不同】

5. 信道的极限容量

通信质量较差的信道在传输信号的过程中会发生严重失真(无法识别原信号)【码间串扰】

失真因素

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

• 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制【更好的调制方法】和努力提高信道中的信噪比
• 自从香农公式发布后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限

例题↓

6. 物理层设备

中继器（RP repeater）

注释：5-4-3规则是为了限制中继器使用次数的，理由可见图
5是指不能超过5个网段
4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个
3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机

集线器（Hub）

集线器是个大的冲突域，同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号，没有智能。

7. 总结

本章思维导图

8. 参考链接:

计算机网络详细笔记【湖科大教书匠，内含B站链接】_Infinity_and_beyond的博客-CSDN博客_湖科大教书匠

计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）_哔哩哔哩_bilibili

计算机网络笔记总结：Part2 物理层_兴趣使然的草帽路飞的博客-CSDN博客