計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)物理層

@TOC

一.物理層基本概念

先強(qiáng)調(diào)一下，物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體，傳輸媒體不屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的任何一層。

1.物理層的作用和意義

①物理層是為了解決在各種傳輸媒體種的0和1問(wèn)題

②物理層的作用是盡可能的屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異，讓物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層感受不到差異，這樣就可以使數(shù)據(jù)鏈路層只要考慮怎么完成本層的協(xié)議和服務(wù)，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸媒體和通信手段是什么

大家可以了解一下，這里的一個(gè)概念，物理層規(guī)程：就是用在物理層的協(xié)議

2.物理層的主要任務(wù)

物理層的主要任務(wù)是確認(rèn)和傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性，接下來(lái)我們來(lái)看看都有哪一些特性。

① 機(jī)械特性

指明接口所用接線器的

性質(zhì)和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等

②電氣特性

指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的

電壓范圍

③功能特性

指明某條線上出現(xiàn)的某一

電平的電壓的意義

④過(guò)程特性

指明對(duì)于不同功能的各種

可能事件的出現(xiàn)順序

二、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

1.數(shù)據(jù)通信的模型

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以分成三大部分:

①源系統(tǒng)(或發(fā)送端，發(fā)送方)

②傳輸系統(tǒng)(或傳輸網(wǎng)絡(luò))

③目的系統(tǒng)(或接收端、接收方)

大家先對(duì)上面圖片的過(guò)程有個(gè)了解，接下來(lái)我們來(lái)看看里面的具體部分

源系統(tǒng)包含兩個(gè)部分:

①源點(diǎn)(信源，源站):顧名思義就是信號(hào)的來(lái)源，數(shù)據(jù)的來(lái)源，源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，比如我們用鍵盤(pán)輸入數(shù)字，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生輸出的數(shù)字比特流

②發(fā)送器:調(diào)制器是典型的發(fā)送器，源點(diǎn)生成的數(shù)字比特流通常要通過(guò)發(fā)送器編碼后才能傳輸

目的系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)也包含兩個(gè)部分

①接收器:接收信號(hào)，把它

轉(zhuǎn)換成可以被目的設(shè)備處理的信息，典型的接收器是解調(diào)器

②終點(diǎn)(目的站，信宿):把從接收器獲取的數(shù)字比特流輸出，比如：把漢字在計(jì)算機(jī)屏幕顯示

接下來(lái)介紹一下常用術(shù)語(yǔ)

消息

： 語(yǔ)言，文字，視頻，音頻等都是

數(shù)據(jù)：

運(yùn)送消息的實(shí)體，數(shù)據(jù)是使用特定方式表示的信息，通常是用有意義的符號(hào)序列

信號(hào):

數(shù)據(jù)的電磁或電氣表現(xiàn)

根據(jù)信號(hào)代表消息的參數(shù)的取值方式不同，可以分成兩類(lèi)

這里我們需要對(duì)碼元有一定的了解，接下來(lái)我們來(lái)看看。

在使用時(shí)間域的波形表示數(shù)字信號(hào)的時(shí)候，代表不同的離散數(shù)值的基本波形就是碼元，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，碼元是構(gòu)成信號(hào)的一般波形

2.信道的幾個(gè)基本概念

信道通俗來(lái)說(shuō)就是信號(hào)傳輸?shù)拿浇?/p>

既然都已經(jīng)說(shuō)到了信號(hào)傳輸了，接下來(lái)我給大家來(lái)說(shuō)一下幾種傳輸方式

我們先來(lái)看看串行傳輸和并行傳輸

2.1串行傳輸和并行傳輸

串行傳輸和并行傳輸

2.2同步傳輸和異步傳輸

同步傳輸和異步傳輸

同步傳輸：

數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸，

字節(jié)之間沒(méi)有間隔

接收端在每一個(gè)比特信號(hào)的中間時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，用來(lái)判斷接收的是比特0或比特1

由于不同設(shè)備的時(shí)鐘頻率存在差異，不可能完全相同，傳輸大量數(shù)據(jù)中，所產(chǎn)生的判別時(shí)刻的累計(jì)誤差，會(huì)導(dǎo)致接收端對(duì)比特信號(hào)的判別錯(cuò)位。

不過(guò)這種情況也不是說(shuō)無(wú)法解決，畢竟出現(xiàn)問(wèn)題，我們肯定要想辦法解決，我們可以讓收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步

收發(fā)雙方時(shí)鐘同步的方法：

外同步：

在收發(fā)雙方之間添加一條單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)線，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，另外發(fā)送一路時(shí)鐘同步信號(hào)，接收端按照時(shí)鐘同步信息的節(jié)奏接收數(shù)據(jù)。

內(nèi)同步：

發(fā)送端把時(shí)鐘同步信號(hào)編碼到發(fā)送數(shù)據(jù)中一起傳輸(比如：曼徹斯特編碼)曼徹斯特瑪在下文會(huì)具體介紹

講完同步傳輸，接下來(lái)，我們來(lái)說(shuō)說(shuō)異步傳輸

異步傳輸：

采用異步傳輸?shù)姆绞綍r(shí)，以字節(jié)為獨(dú)立的傳輸單位，字節(jié)之間的間隔不是固定的

接收端僅僅在每一個(gè)字節(jié)的起始處對(duì)字節(jié)內(nèi)的比特實(shí)現(xiàn)同步

因此，通常要在每一個(gè)字節(jié)的前和后分別加上起始位和結(jié)束位

2.3通信雙方的信息交互方式

從通信雙方的信息交互的方式來(lái)看，可以有三種基本方式：

①單向通信:又稱(chēng)為單工通信，

這是一種單方向的通信沒(méi)有反方向的交互

比如：電視廣播，有線電廣播

②雙向交替通信:又稱(chēng)為半雙工通信，

通信雙方都可以發(fā)送信息，但是不能同時(shí)發(fā)送或同時(shí)接收，

只能是一方發(fā)送，一方接收，比如：對(duì)講機(jī)

③雙向同時(shí)通信:又稱(chēng)為全雙工通信，

通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，比如：電話(huà)

剛剛說(shuō)了一下幾種傳輸方式以后，我們?cè)賮?lái)看看其他的一些概念

基帶信號(hào):

信源發(fā)出的信號(hào)，計(jì)算機(jī)輸出的各種文字，圖像等都是基帶信號(hào)

調(diào)制:

為了解決一些信道不能傳輸基帶信號(hào)低頻分量或直流分量

3.常用編碼方式(十分重要)

接下來(lái)我就對(duì)各種編碼方式進(jìn)行詳細(xì)的介紹

3.1 不歸零制(存在同步問(wèn)題)

正電平代表1，負(fù)電平代表0，整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，電平不會(huì)出現(xiàn)零電平

接收端如果想要判斷是幾個(gè)碼元，就得需要額外的一根傳輸線來(lái)傳輸時(shí)鐘信號(hào)，使得發(fā)送方和接收方同步，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，寧愿利用這根傳輸線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，而不是用來(lái)傳輸時(shí)鐘信號(hào)。

所以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不采用這種編碼。

3.2歸零制(自同步，編碼效率低)

正脈沖代表1，負(fù)脈沖代表0

歸零制相當(dāng)于把時(shí)鐘信號(hào)用歸零方式編碼在數(shù)據(jù)之內(nèi)，這稱(chēng)為自同步信號(hào)

歸零制：

每一個(gè)碼元傳輸結(jié)束以后都要?dú)w零，

接收方只需要在信號(hào)歸零以后進(jìn)行采樣，不需要單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)，不過(guò)，歸零制中大部分?jǐn)?shù)據(jù)帶寬都用來(lái)傳輸歸零而浪費(fèi)掉，所以效率低

3.3曼徹斯特編碼

每一個(gè)碼元的中間時(shí)刻，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變，碼元中間時(shí)刻的跳變即表示時(shí)鐘又表示數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)就是采用曼徹斯特編碼.我們可以規(guī)定正跳變表示1，也可以規(guī)定正跳變表示0

3.4差分曼徹斯特編碼

1.在每一個(gè)碼元的中間時(shí)刻，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變

不過(guò)，差分曼徹斯特編碼的跳變僅表示時(shí)鐘，不表示數(shù)據(jù)

2.碼元開(kāi)始處電平是否發(fā)生變化表示數(shù)據(jù)，開(kāi)始邊界有跳變表示0，沒(méi)跳變表示1

3.5基本的帶通調(diào)制方法

使用基本的調(diào)制方法，一個(gè)碼元只能包含一個(gè)比特信息，那怎樣才能讓一個(gè)碼元包含多個(gè)比特信息呢?我們可以使用混合調(diào)制的方法

相位和振幅通常可以結(jié)合起來(lái)一起調(diào)制

使用QAM-16可以有12種相位，每種相位有或2種振幅可選

4、信道的極限容量

信號(hào)在信道上的傳輸不可避免都會(huì)出現(xiàn)失真

碼元的傳輸速率越高，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，噪聲干擾越大或傳輸媒體質(zhì)量越差，在接收端的波形的失真就越嚴(yán)重

碼間串?dāng)_:接收端收到的信號(hào)波形失去了碼元之間的清晰界限

1.奈氏準(zhǔn)則

在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元傳輸速率是有上限的

理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2W Baud=2W碼元/秒

W:信道帶寬（單位HZ)

Baud:波特，即碼元/秒

2.區(qū)分易混淆概念

碼元傳輸速率:

單位時(shí)間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)(也可稱(chēng)為脈沖個(gè)數(shù)或信號(hào)變化的次數(shù))又稱(chēng)為波特率，調(diào)制速率，波形速率或符號(hào)速率，它和比特率有一定關(guān)系

碼元可以是多進(jìn)制的，也可以是二進(jìn)制，但是碼元速率和進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)

信息傳輸速率：

別名信息速率，比特率，表示單位時(shí)間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元個(gè)數(shù)(比特?cái)?shù))單位是比特/秒

帶寬:

表示在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)的某一點(diǎn)到另外一點(diǎn)所能通過(guò)的最高數(shù)據(jù)率，經(jīng)常用來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路所能傳輸數(shù)據(jù)的能力

3.香農(nóng)公式

三、物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也叫傳輸媒介，它分成兩類(lèi)，導(dǎo)引型傳輸媒體和非導(dǎo)引型傳輸媒體

這里有太多的概念，書(shū)上介紹得很詳細(xì)，我這里只是把一些比較重要的列舉出來(lái)，具體的還是要看書(shū)

1.導(dǎo)引型傳輸媒體

在這里我來(lái)重點(diǎn)介紹一下光纖

光纖是光纖通信的傳輸媒體，在發(fā)送端有光源，可以采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，它們能在電脈沖的作用下產(chǎn)生出光脈沖，在接收端利用光電二極管做成光檢測(cè)器，在檢測(cè)到光脈沖時(shí)可以還原出電脈沖

多模光纖:存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就是多模光纖

多模光纖對(duì)光源要求不高，可以用發(fā)光二極管來(lái)發(fā)送光源

由于色散(模式、材料、波導(dǎo)色散），光在多模光纖傳輸一定距離以后，必然會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真(脈沖展寬)—多模光纖只適合近距離傳輸

2.非導(dǎo)引型傳輸媒體

四、信道復(fù)用技術(shù)(重要)

這里既然說(shuō)到了信道復(fù)用，那么我們肯定要先知道什么是復(fù)用

復(fù)用:是通信技術(shù)上的一個(gè)重要概念，復(fù)用就是通過(guò)一條物理線路來(lái)同時(shí)傳輸多路用戶(hù)的信號(hào)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸媒體的傳輸容量大于多條單一信道傳輸?shù)目偼ㄐ帕康倪m合，就可以利用復(fù)用技術(shù)在一條物理線路上建立多條通信信道來(lái)充分利用傳輸媒體的帶寬。

常見(jiàn)的信道復(fù)用有:頻分復(fù)用FDM，時(shí)分復(fù)用TDM,統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM,波分復(fù)用WDM，碼分復(fù)用CDM，最基本的復(fù)用是頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用。

1.頻分復(fù)用FDM

把傳輸線路的頻帶資源劃分為多個(gè)子頻道，形成多個(gè)子信道，各個(gè)子信道之間要留出隔離帶，防止造成子信道之間的干擾。

當(dāng)多路信號(hào)輸入一個(gè)多路復(fù)用器的時(shí)候,這一個(gè)復(fù)用器會(huì)把每一路信號(hào)調(diào)制到不同頻率的載波上，接收端由響應(yīng)的分用器通過(guò)濾波把各路信號(hào)分開(kāi)，把合成的多路信號(hào)恢復(fù)成原始的多路信號(hào)

頻分復(fù)用的各路信號(hào)在同樣的時(shí)間里面占用不同的帶寬資源(這里的帶寬是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率)

2.時(shí)分復(fù)用TDM

把時(shí)間劃分成為一個(gè)個(gè)的時(shí)隙，時(shí)分復(fù)用技術(shù)把傳輸線路的帶寬資源按照時(shí)隙輪流分配給不同的用戶(hù)，每對(duì)用戶(hù)只在所分配的時(shí)隙里面使用線路傳輸數(shù)據(jù)

下面的圖中，我們可以看成每個(gè)時(shí)分復(fù)用幀有四個(gè)時(shí)隙

時(shí)分復(fù)用技術(shù)把時(shí)間劃分成一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀

每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)在每一個(gè)時(shí)分用戶(hù)幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙，每一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙是周期性出現(xiàn)的，它的周期就是時(shí)分復(fù)用幀的長(zhǎng)度

時(shí)分復(fù)用的所有用戶(hù)在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度

我們這里來(lái)看一下，時(shí)分復(fù)用存在什么問(wèn)題

我們知道時(shí)分復(fù)用的所有用戶(hù)在不同的時(shí)間是占用相同的頻帶寬度的，但是如果用戶(hù)在這段時(shí)間里面沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)呢？那么這個(gè)時(shí)候這個(gè)已經(jīng)分配到的信道就會(huì)處于空閑狀態(tài)，其他想要發(fā)送信息的用戶(hù)無(wú)法利用這個(gè)空閑的信道發(fā)送信息，這樣就會(huì)導(dǎo)致信道的利用率不高。

那么有什么辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題嗎？答案是肯定的，那就是接下來(lái)要講的統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

3.統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(STDM）

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用不是固定分配資源，而是按需動(dòng)態(tài)分配資源，科提高線路的利用率。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用使用STDM幀來(lái)傳送復(fù)用的數(shù)據(jù)，每個(gè)STDM幀時(shí)隙數(shù)小于用戶(hù)數(shù)，各用戶(hù)有數(shù)據(jù)以后就隨時(shí)發(fā)往集中器的輸入緩存，集中器按照順序依次掃描輸入緩存，把存入的數(shù)據(jù)放到STDM幀。沒(méi)有緩存的數(shù)據(jù)就直接跳過(guò)，一個(gè)幀的數(shù)據(jù)滿(mǎn)了，就發(fā)送出去。

注意:因?yàn)镾TDM幀中的數(shù)據(jù)不是固定分配給某一個(gè)用戶(hù)的，所以在每一個(gè)時(shí)隙中，還必須要有用戶(hù)的地址信息

每一個(gè)用戶(hù)占用的時(shí)隙不是周期性出現(xiàn)，所以統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用又叫異步時(shí)分復(fù)用，一般的時(shí)分復(fù)用叫同步時(shí)分復(fù)用

4.波分復(fù)用WDM

波分復(fù)用其實(shí)就是光的頻分復(fù)用，使用一根光纖來(lái)同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào)

我們知道對(duì)于光來(lái)說(shuō)，一旦波長(zhǎng)確定，它的頻率也就確定了

我們可以把多數(shù)不同的光放在同一個(gè)線路上面，這種線路一般是多模線路，它可以發(fā)送多個(gè)線路進(jìn)來(lái)

碼分復(fù)用CDM(重要)

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