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计算机网络--物理层

简介: 学习计算机知识,肯定要了解计算机网络相关知识,本文介绍计网的物理层
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@TOC

一.物理层基本概念

先强调一下,物理层考虑的是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,而不是指具体的传输媒体,传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。

1.物理层的作用和意义

①物理层是为了解决在各种传输媒体种的0和1问题
②物理层的作用是尽可能的屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异,让物理层上面的数据链路层感受不到差异,这样就可以使数据链路层只要考虑怎么完成本层的协议和服务,不需要考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么

大家可以了解一下,这里的一个概念,物理层规程:就是用在物理层的协议

2.物理层的主要任务

物理层的主要任务是确认和传输媒体的接口有关的一些特性,接下来我们来看看都有哪一些特性。
① 机械特性

指明接口所用接线器的性质和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

②电气特性
指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围

③功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

④过程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

二、数据通信的基础知识

1.数据通信的模型

数据通信系统可以分成三大部分:

①源系统(或发送端,发送方)
②传输系统(或传输网络)
③目的系统(或接收端、接收方)

在这里插入图片描述
大家先对上面图片的过程有个了解,接下来我们来看看里面的具体部分

源系统包含两个部分:
①源点(信源,源站):顾名思义就是信号的来源,数据的来源,源点设备产生要传输的数据,比如我们用键盘输入数字,计算机产生输出的数字比特流
②发送器:调制器是典型的发送器,源点生成的数字比特流通常要通过发送器编码后才能传输

目的系统一般来说也包含两个部分
①接收器:接收信号,把它转换成可以被目的设备处理的信息,典型的接收器是解调器
②终点(目的站,信宿):把从接收器获取的数字比特流输出,比如:把汉字在计算机屏幕显示
接下来介绍一下常用术语

消息: 语言,文字,视频,音频等都是
数据:运送消息的实体,数据是使用特定方式表示的信息,通常是用有意义的符号序列
信号:数据的电磁或电气表现

根据信号代表消息的参数的取值方式不同,可以分成两类
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这里我们需要对码元有一定的了解,接下来我们来看看。
在使用时间域的波形表示数字信号的时候,代表不同的离散数值的基本波形就是码元,简单来说,码元是构成信号的一般波形
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2.信道的几个基本概念

信道通俗来说就是信号传输的媒介
既然都已经说到了信号传输了,接下来我给大家来说一下几种传输方式
我们先来看看串行传输和并行传输

2.1串行传输和并行传输

串行传输和并行传输
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2.2同步传输和异步传输

同步传输和异步传输
同步传输:
数据块以稳定的比特流的形式传输,字节之间没有间隔
接收端在每一个比特信号的中间时刻进行检测,用来判断接收的是比特0或比特1
在这里插入图片描述
由于不同设备的时钟频率存在差异,不可能完全相同,传输大量数据中,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。
不过这种情况也不是说无法解决,毕竟出现问题,我们肯定要想办法解决,我们可以让收发双方的时钟同步
收发双方时钟同步的方法:
外同步:
在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线,发送端在发送数据信号的同时,另外发送一路时钟同步信号,接收端按照时钟同步信息的节奏接收数据。
内同步:
发送端把时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(比如:曼彻斯特编码)曼彻斯特玛在下文会具体介绍

讲完同步传输,接下来,我们来说说异步传输

异步传输:
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采用异步传输的方式时,以字节为独立的传输单位,字节之间的间隔不是固定的
接收端仅仅在每一个字节的起始处对字节内的比特实现同步
因此,通常要在每一个字节的前和后分别加上起始位和结束位

2.3通信双方的信息交互方式

从通信双方的信息交互的方式来看,可以有三种基本方式:
单向通信:又称为单工通信,这是一种单方向的通信没有反方向的交互比如:电视广播,有线电广播
双向交替通信:又称为半双工通信,通信双方都可以发送信息,但是不能同时发送或同时接收,只能是一方发送,一方接收,比如:对讲机

双向同时通信:又称为全双工通信,通信双方可以同时发送和接收信息,比如:电话

刚刚说了一下几种传输方式以后,我们再来看看其他的一些概念

基带信号:信源发出的信号,计算机输出的各种文字,图像等都是基带信号
调制:为了解决一些信道不能传输基带信号低频分量或直流分量

3.常用编码方式(十分重要)

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接下来我就对各种编码方式进行详细的介绍

3.1 不归零制(存在同步问题)

正电平代表1,负电平代表0,整个码元时间内,电平不会出现零电平
在这里插入图片描述
接收端如果想要判断是几个码元,就得需要额外的一根传输线来传输时钟信号,使得发送方和接收方同步,但是对于计算机网络,宁愿利用这根传输线来传输数据信号,而不是用来传输时钟信号。
所以计算机网络不采用这种编码。

3.2归零制(自同步,编码效率低)

正脉冲代表1,负脉冲代表0
归零制相当于把时钟信号用归零方式编码在数据之内,这称为自同步信号
归零制:每一个码元传输结束以后都要归零,接收方只需要在信号归零以后进行采样,不需要单独的时钟信号,不过,归零制中大部分数据带宽都用来传输归零而浪费掉,所以效率低
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3.3曼彻斯特编码

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每一个码元的中间时刻,信号都会发生跳变,码元中间时刻的跳变即表示时钟又表示数据,传统的以太网就是采用曼彻斯特编码.我们可以规定正跳变表示1,也可以规定正跳变表示0

3.4差分曼彻斯特编码

1.在每一个码元的中间时刻,信号都会发生跳变
不过,差分曼彻斯特编码的跳变仅表示时钟,不表示数据
2.码元开始处电平是否发生变化表示数据,开始边界有跳变表示0,没跳变表示1
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3.5基本的带通调制方法

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使用基本的调制方法,一个码元只能包含一个比特信息,那怎样才能让一个码元包含多个比特信息呢?我们可以使用混合调制的方法
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相位和振幅通常可以结合起来一起调制
使用QAM-16可以有12种相位,每种相位有或2种振幅可选
在这里插入图片描述
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4、信道的极限容量

信号在信道上的传输不可避免都会出现失真

在这里插入图片描述
码元的传输速率越高,信号传输的距离越远,噪声干扰越大或传输媒体质量越差,在接收端的波形的失真就越严重

码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限

1.奈氏准则

在假定的理想条件下,为了避免码间串扰,码元传输速率是有上限的

理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud=2W码元/秒
W:信道带宽(单位HZ)
Baud:波特,即码元/秒

2.区分易混淆概念

码元传输速率:
单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数)又称为波特率,调制速率,波形速率或符号速率,它和比特率有一定关系
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码元可以是多进制的,也可以是二进制,但是码元速率和进制数无关
信息传输速率:
别名信息速率,比特率,表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(比特数)单位是比特/秒
带宽:表示在单位时间内从网络的某一点到另外一点所能通过的最高数据率,经常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力

3.香农公式

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三、物理层下面的传输媒体

传输媒体也叫传输媒介,它分成两类,导引型传输媒体和非导引型传输媒体

这里有太多的概念,书上介绍得很详细,我这里只是把一些比较重要的列举出来,具体的还是要看书
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1.导引型传输媒体

在这里我来重点介绍一下光纤

光纤是光纤通信的传输媒体,在发送端有光源,可以采用发光二极管或半导体激光器,它们能在电脉冲的作用下产生出光脉冲,在接收端利用光电二极管做成光检测器,在检测到光脉冲时可以还原出电脉冲
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多模光纤:存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输,这种光纤就是多模光纤

多模光纤对光源要求不高,可以用发光二极管来发送光源
由于色散(模式、材料、波导色散),光在多模光纤传输一定距离以后,必然会产生信号失真(脉冲展宽)---多模光纤只适合近距离传输
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2.非导引型传输媒体

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四、信道复用技术(重要)

这里既然说到了信道复用,那么我们肯定要先知道什么是复用
复用:是通信技术上的一个重要概念,复用就是通过一条物理线路来同时传输多路用户的信号
当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量的适合,就可以利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。
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常见的信道复用有:频分复用FDM,时分复用TDM,统计时分复用STDM,波分复用WDM,码分复用CDM,最基本的复用是频分复用和时分复用。

1.频分复用FDM

把传输线路的频带资源划分为多个子频道,形成多个子信道,各个子信道之间要留出隔离带,防止造成子信道之间的干扰。
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当多路信号输入一个多路复用器的时候,这一个复用器会把每一路信号调制到不同频率的载波上,接收端由响应的分用器通过滤波把各路信号分开,把合成的多路信号恢复成原始的多路信号
频分复用的各路信号在同样的时间里面占用不同的带宽资源(这里的带宽是频率带宽而不是数据的发送速率)

2.时分复用TDM

把时间划分成为一个个的时隙,时分复用技术把传输线路的带宽资源按照时隙轮流分配给不同的用户,每对用户只在所分配的时隙里面使用线路传输数据

下面的图中,我们可以看成每个时分复用帧有四个时隙
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时分复用技术把时间划分成一段段等长的时分复用帧
每一个时分复用的用户在每一个时分用户帧中占用固定序号的时隙,每一个用户所占用的时隙是周期性出现的,它的周期就是时分复用帧的长度
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

我们这里来看一下,时分复用存在什么问题
我们知道时分复用的所有用户在不同的时间是占用相同的频带宽度的,但是如果用户在这段时间里面没有传输数据呢?那么这个时候这个已经分配到的信道就会处于空闲状态,其他想要发送信息的用户无法利用这个空闲的信道发送信息,这样就会导致信道的利用率不高。
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那么有什么办法可以解决这个问题吗?答案是肯定的,那就是接下来要讲的统计时分复用

3.统计时分复用(STDM)

统计时分复用不是固定分配资源,而是按需动态分配资源,科提高线路的利用率。
在这里插入图片描述
统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据,每个STDM帧时隙数小于用户数,各用户有数据以后就随时发往集中器的输入缓存,集中器按照顺序依次扫描输入缓存,把存入的数据放到STDM帧。没有缓存的数据就直接跳过,一个帧的数据满了,就发送出去。
注意:因为STDM帧中的数据不是固定分配给某一个用户的,所以在每一个时隙中,还必须要有用户的地址信息
每一个用户占用的时隙不是周期性出现,所以统计时分复用又叫异步时分复用,一般的时分复用叫同步时分复用

4.波分复用WDM

波分复用其实就是光的频分复用,使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号
在这里插入图片描述
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我们知道对于光来说,一旦波长确定,它的频率也就确定了
我们可以把多数不同的光放在同一个线路上面,这种线路一般是多模线路,它可以发送多个线路进来

码分复用CDM(重要)

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