计算机网络之物理层

Andy

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

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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;

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    图2 数字信号

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    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。

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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

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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。

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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

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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

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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

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