计算机网络之物理层

物理层

• 物理层的主要任务是定义标准

四个特性（标准）

• 物理特性，物理，例如规格、接口形状、引脚数目、引脚数量和排列情况；
• 电气特性，数据，例如线路上的电压范围、传输速率和距离限制；
• 功能限制：功能，例如指明某条线上的某一电平表示何种意义；
• 规程（过程）特性：顺序，不同功能的各种可能事件发生的出现顺序

典型的数据通信模型

图1 数据通信模型

相关术语

• 数据：传送信息的实体；
• 信号：数据在传输过程的存在形式，数字（离散）信号如图2，模拟（连续）信号如图3；

  

  图2 数字信号

  

  图3 模拟信号

• 信源：产生和发送数据源头；
• 信宿：接收数据的源头；
• 信道：信号传输的媒介。按传输信号分为模拟信道和数字信道，按传输介质分为无线信道和有线信道；
• 单工通信：只有一个方向通信，没有反方向，一条信道
• 半双工通信：双向交替通信，两条信道
• 全双工通信：双方同时通信，两条信道
• 串行传输：表示将一个字符的8位二进制数按由低到高位的顺序依次发送，速度慢、费用低、适合远距离；
• 字符：一个字节8位二进制数
• 并行传输：表示将一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送，速度快、费用高、适合近距离
• 同步传输：数据的传输以数据区块为单位，先传输同步字符，再整批数据送出；
• 异步传输：数据将比特分成小组传输。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位；

同步传输和异步传输都是为了实现数据同步。

• 码元：一个码元可以携带多个比特的信息量，例如4进制码元可以携带2个比特的信息量（2的二次方等于4）;

速率的表示方法

• 码元传输速率：一秒传输到多少个码元

  单位时间内传输的码元个数，单位波特（Baud）;

• 信息传输速率：一秒传输多少个比特

  单位时间内二进制码元个数(比特)，单位比特/秒（b/s）;

• 二者关系

  若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M x n bit/s;

带宽（Bandwidth）

• 模拟信号系统中，带宽为最高频率和最低频率的差值，单位赫兹
• 数字设备中，某点到另一点的最高速率除以单位时间通过链路的数量，单位是是比特每秒

奈氏准则

在理想低通（无噪声、带宽受限）条件下，为了避免码间干扰，极限码元传输速率为2W Baud，即码元传输速率有上限。W是信道带宽，V是几种码元或者离散电平数。单位是赫兹，如图4。

图4 奈氏准则公式

香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值。如图5

图5 香农定理公式

信噪比

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。公式如图6。

图6 信噪比公式

选择

给了信噪比（噪声条件）用香农定理，没给就用奈氏准则。如果给了信噪比也给了一个码元对于过少比特，两个都用，取最小值。

编码和调制

• 数据到数字信号是编码，到模拟信号是调制。
• 数字数据通过数字发送器编码成数字信号，通过调制器调制成模拟信号
• 模拟数据通过PCM编码器编码成数字信号，通过放大器调制器调制成模拟信号

基带信号

将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输（基带传输）。基带信号就是发出了直接表达了要传输的信息的信号。近距离传输。

宽带信号

将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。远距离传输。

数字数据编码为数字信号

图7 编码方式

• 非归零编码就是高电平1，低电平0
• 曼彻斯特编码就是一次跳变两次，第一次是对于编码，第二次反转
• 差分曼彻斯特编码就是在下一个编码前跳变，前后电平不一致0，一致为1。

数字数据调制为模拟信号

图8 调制方式

模拟数据编码为数字信号

• 步骤：抽样，量化，编码

模拟数据调制为模拟信号

• 放大器调制器

数据交换

• 电路交换：点对点，传输快，要求电路建立；
• 报文交换：存储转发，根据路由信息自动选择快的路由器，数据传输的单位是报文。
• 分组交换：与报文交换工作方式基本相同，差别在于限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。时延小

传输媒介

传输媒介并不是物理层，在物理层下面（第0层）。

导向性传输介质

铜线、双绞线、光纤

非导向性传输介质

空气、真空

物理层设备

中继器

对信号的再生和还原

集线器

再生，放大信号