計算機網路第二章物理層筆記 值得收藏

1、物理層的基本概念

1. 物理層解決如何在連接各種計算機的傳媒上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體
2. 物理層主要任務：確定與傳輸媒體介面有關的一些特性 ----->定義標準
3. 特性：
   • 機械特性：定義物理連接的特性,規定物理連接時所采用的規格、介面形狀、引線數目、引線屬性和排列情況，
   • 電氣特性：規定傳輸二進制時，線路上信號的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率、距離限制等，
   • 功能特性：指明某條線上出現的某一電平表示何種意義，介面不見信號線的用途
   • 規程特性：（程序特性）定義各條物理線路的作業和時序關系

2、資料通信基礎知識

1.

2. 資料通信相關術語：

   通信的目的是傳送訊息

   名詞	定義
   資料	傳送資訊的物體，通常是有意義的符號序列
   信號	資料的電氣/電磁的表現，是資料在傳輸程序的存在形式 數字信號：代表訊息的引數取值是離散的，低電平0 高電平1 模擬信號：代表信號的引數取值是連續的
   信源	產生和發送資料的源頭
   信道	信號的傳輸媒介，一般用來表示向某一個方向傳送資訊的介質，因此一條通信線路往往包括一條發送信道和一條接收信道，

   信道兩種分類方式：

   • 根據傳輸信號分為：模擬信道（傳輸模擬信號）和數字信道（傳送數字信號）
   • 根據傳輸介質分為：無線信道和有線信道

3. 三種通信方式：

   從通信雙方的資訊的互動方式看，可以有三種基本方式：

   （1）單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的互動，僅需要一條信道

   （2）半雙工通信：通信的雙方都可以或接受資訊，但任何以方都不能同時發送和接收，需要兩條信道

   （3）全雙工信道：通信雙方可以同時發送和接收資訊，也需要兩條信道

4. 兩種資料的傳輸方式：

   （1）傳輸方式：分為串行傳輸和并行傳）

   ? 1）串行傳輸：速度慢，費用低，適合遠距離

   ? 2）并行傳輸 : 速度快，費用高，適合近距離（用于計算機內部資料傳輸）

3、碼元、波特、速率、帶寬

1. 碼元：是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖），代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度，當碼元的離散狀態有M個時（M大于2），此時碼元為M進制碼元，

   1碼元可以攜帶多個位元的資訊量，例如，在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態，另一種代表1狀態，
   

2. 波速、波特、帶寬之間的關系

   速率：速率也叫資料率，是指資料的傳輸速率，表示單位時間內傳輸的資料量，也可以用碼元傳輸速率和資訊傳輸速率表示

   （1）碼元傳輸速率：別名碼元速率、波形速率，調制速率、符號速率等，他表示在單位時間內資料通信系統所傳輸的碼元個數（也可稱為脈沖個數或信號變化的次數），單位是波特（Baud），1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元，這里的碼元可以是多進制的，也可以是二進制的，但是碼元速率與進制無關

   1Baud 其實就是 碼元/s

   （2）資訊傳輸速率：別名資訊速率、位元率等，表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制原始碼個數（即位元數），單位是位元/秒（b/s)，

   關系：若一個碼元攜帶n bit的資訊量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為M*n bit/s

   （3）帶寬：表示在單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”，常用來表示網路的通信線路所能傳輸資料的能力，單位是b/s.

   （4）練習題：
   系統傳輸的是位元流，通常比較的是資訊傳輸速率，所以傳輸十六進制碼元的通信系統傳輸速率較快，如果用該系統去傳輸四進制碼元會有更高的碼元傳輸速率

4、奈氏準則和香農定理

1. 失真
   
   （1）影響失真程度的因素:

   ? 1）碼元的傳輸速率

   ? 2）信號傳輸距離

   ? 3）噪音干擾

   ? 4）傳輸媒體質量

   （2）失真的一種現象------碼元串擾

   ? 信道帶寬是信道能通過的最高頻率和最低頻率之差

   ? 碼間串擾：接收端收到的信號波形失去了碼元直接清晰界限的現象

2. 奈氏準則：在理想低通（無噪音，帶寬受限）條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，單位是Hz
   

   （1）在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的，若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，是接收端對碼元的完全正確識別稱為不可能，

   （2）信道的頻帶越寬（即能通過的信號高頻分量越多），就可以用更高的速率進行碼元的有效傳輸

   （3）奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對資訊傳輸速率給出限制

   （4）由于碼元的傳輸速率受奈氏準則，所以要提高資料的傳輸速率，就必須設法是每個碼元能攜帶更多個位元的資訊量，這就需要采用多元制的調制方法

   （5）練習題：

3. 香農定理

   （1）噪音存在于所有的電子設備和通信信道中，由于噪音隨機產生，它的瞬間值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤，但是噪聲的影響是相對的，若信號較強，name早生影響相對較小，因此，噪音比就很重要

   信噪比=信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位，即：
   

   （2）香農定理：在帶寬受限且有噪音的信道中，為了不產生誤差，資訊的資料傳輸速率有上限值，
   

   1）信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高，

   2）對一定的傳輸帶寬和一定的噪音比，資訊傳輸速率的上限就確定了，

   3）只要資訊的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法

   4）香農定理得出的為極限資訊傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少，

   5）從香農定理可以看出，若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（不可能），那么信道的極限資訊傳輸速率也就沒有上限

   （3）練習題：

4. “奈氏準則”和"奈氏準則“用哪個?

   奈氏準則（內憂）	奈氏準則（外患）
   帶寬受限無噪音條件下，為了碼間串擾，碼元傳輸速率上限為2W Baud（W是帶寬）	帶寬受限有噪聲條件下的資訊傳輸速率
   理想低通道信道下的極限資料傳輸率=2W l o g 2 V log_2V log2?V	信道的極限資料傳輸速率=W l o g 2 ( 1 + S / n ) log_2(1+S/n) log2?(1+S/n)
   要想提高資料率，就要提高帶寬/采用更好的編碼技術	要想提高資料率，就要提高帶寬/信噪比

   練習題：
   

5、編碼和調制

1. 基帶信號與寬帶信號

   （1）信道：信號的傳輸媒介，一般用來表示向某一個方向傳送資訊的介質，因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道，
   1）信道按照傳輸信號分為 模擬信道（傳輸模擬信號）和數字信道（傳輸數字信號）

   ? 信道按照傳輸介質分為 無線信道和有線信道

   ? 2）信道上傳送的信號分為基帶信號和寬帶信號

   ? 基帶信號：將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數字信道上去傳輸（基帶傳輸），來自信源的信號，將計算機輸出的代表各種文字或影像檔案的資料信號都屬于基帶信號，基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的資訊的信號，比如我們說話的聲波就是基帶信號

   ? 寬帶信號：將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號，在傳送到模擬信道上傳輸（寬帶傳輸）把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）

   （2）在傳輸距離較近時，計算機網路采用基帶傳輸方式（近距離衰減小，從而信號內容不易發生變化）

   ? 在傳輸距離較遠時，計算機網路采用寬帶傳輸方式（遠距離衰減大，即使信號變大也能最后過濾出來基帶信號）

2. 編碼與調制

   （1）如何區分編碼和調制

   ? 資料--------->數字信號 編碼

   ? 資料---------->模擬信號 調制

   （2）數字資料

   ? 數字資料--------->數字信號 （編碼）（用數字發送器）

   ? 數字資料--------->模擬信號 （調制）（用調制器）

   （3）模擬資料

   ? 模擬資料--------->數字信號（編碼）（用PCM編碼器）

   ? 模擬資料--------->模擬信號（調制）（用放大調制器）

3. 數字資料編碼為數字信號

   （1）非歸零編碼【NRZ】：（高1低0）編碼容易實作，但沒有檢錯功能，且無法判斷一個碼元的開始和結束，以至于收發雙方難以保持同步

   （2）曼徹斯特編碼：將一個碼元分為兩個相等的間隔，前一個間隔為低電平后一個間隔為高電平表示碼元1：碼元0則正好相反，也可以采用相反的規定，改編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳變，位中間的跳變既作時鐘信號（也可用于同步），又作資料信號，但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍,每一個碼元都被調成兩個電平,所以資料傳輸速率只有調制速率的1/2

   （3）差分曼徹斯特編碼(同1異0):常用于局域網傳輸,其規則是:若碼元為1,則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同,若為0,則相反.該編碼的特點是,在每一個碼元中間,都有一次電平的跳轉,可以實作自同步,且抗干擾性強于曼徹斯特編碼

   （4）歸零編碼 【RZ】：信號電平在一個碼元之內都要恢復到零的這種編碼成編碼方式

   （5）反向不歸零編碼【NRZI】：信號電平翻轉表示0，信號電平不變表示1，

   （6）4B/5B編碼：位元流插入額外的位元以打破一串0或1,就是用5個位元來編碼4個位元的資料,之后再傳給接收方,因此稱為4B/5B，編碼效率為80%，
   
   

4. 數字資料調制為模擬信號

   （1）數字資料調制技術在發送端將數字信號轉換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數字信號，分別對應于調制解調器的調制和解調程序

5. 模擬資料編碼為數字信號

   （1）計算機內部處理的是二進制資料，處理的都是數字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉換成有限個數字表的離散序列（即實作音頻數字化）

   ? 最典型的例子就是對音頻進行編碼的脈碼調制（PCM），在計算機應用中，能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用于素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WAV檔案中均有應用，他主要包括三步：抽樣、量化、編碼

   1）抽樣：對模擬信號周期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號，

   ? 為了使所得的離散信號能無失真地代表抽樣的模擬資料，要使用采樣

   定理進行采樣： f 采 樣 頻 率 > = 2 f 信 號 最 高 頻 率 f采樣頻率>=2f信號最高頻率 f采樣頻率>=2f信號最高頻率

   2）量化：把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標準轉化為對應的數字值，并取整數，這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量

   3）編碼：把量化的結果轉換為與之對應的二進制編碼

6. 模擬資料調制為模擬信號

   為了實作傳輸的有效性，可能需要較高的頻率，這種調制方式還可以使用頻分復用技術，允許利用帶寬資源，在電話機和本地交換機所傳輸的信號是采用模擬信號傳輸模擬資料的方式：模擬的聲音資料是加載到模擬載波信號中傳輸的

6、傳輸介質

1. 傳輸介質及分類
   （1）傳輸介質也稱為傳世媒體/傳輸媒介，他就是資料傳輸系統中在發送設備和接收設備之間的物理通路

   （2）傳輸媒體并不是物理層

   ? 傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒體為0層，在傳輸媒體傳輸的是信號，但傳輸媒體并不知道所傳輸媒體并不知道所傳輸的信號代表什么意思，但物理層規定了電氣特性，因此能夠識別所傳送的位元流，

   （3）傳輸介質分為兩類：導向性傳輸介質和非導向性傳輸介質

   導向性傳輸介質：電磁波被導向沿著固體媒介（銅線/光纖）傳播，

   非導向性傳輸媒介：自由空間，介質可以是空氣、真空、海水等，

2. 導向性傳輸介質—1.雙絞線

   （1）雙絞線是古老、又常用的傳輸介質，他由兩根采用一定規則并排絞合的、相互絕緣的銅導線組成，
   
   絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾
   為了進一步提高抗電磁干擾能力，可在雙絞線的外面再加上一個由金屬絲編織的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線（STP），無屏蔽層的雙絞線就稱為非屏蔽雙絞線（UTP）

   雙絞線價格便宜，是最常用的傳輸介質之一，在局域網和傳統電話網中普遍使用，模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾公里到數十公里，距離太遠時，對模擬傳輸，要用放大器放大衰弱的信號；對于數字信號要用中繼器將失真信號整形

3. 導向性傳輸介質—2.同軸電纜

   同軸電纜由導體銅質薪線、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外層構成，按特性阻抗數值的不同，通常將同軸電纜分為兩類：50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜，其中，50Ω同軸電纜主要用于傳送基帶數字信號，又稱為基帶同軸電纜，它在局域網中得到廣泛應用；75Ω同軸電纜主要用于傳送寬帶信號，又稱為寬帶同軸電纜，它主要用于有線電視系統，
   
   同軸電纜Vs雙絞線：由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，被廣泛用于傳輸較高速率的資料，其傳輸距離更遠，但是價格比雙絞線貴

4. 導向性傳輸介質—3.光纖

   光纖通信就是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信，有光脈沖表示1，無光脈沖表示0，而可見光的頻率大概是 1 0 8 10^8 108MHz,因此光纖通信系統的帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體帶寬，

   光纖在發送端有光源，可以采用發光二極管或者半導體激光器，他們在點脈沖作用下能產生出光脈沖；在接收端用光點二極管做成光檢查器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖，

   光纖主要有纖芯（實心的！）和包層構成，廣播通過纖芯進行傳導，包層較纖芯有較低的折射率，當光線從高折射率的介質射向低折射的介質時，其折射角大于入射角，因此如果入射角足夠大，就會出現全反射，即光纖碰到包層時候就會折回纖芯、這個程序不斷重復，光也就沿著光纖傳輸下去
   

   	定義	光源	特點
   單模光纖	一種在橫向模式直接傳輸光信號的光纖	定向性很好的激光二極管	衰耗小，適合遠距離傳輸
   多模光纖	有多種傳輸光信號模式的光纖	發光二極管	易失真，適合近距離傳輸

5. 光纖的特點：

   （1）傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟

   （2）抗雷電和電磁干擾性好

   （3）無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取資料

   （4）體積小，重量輕

6. 非導向性傳輸介質

   （1）無線電波：較強的穿透能力，可傳遠距離，廣泛用于通信領域（如手機通信）

   ? 方向：信號向所以方向傳播

   （2）微波：微波通信頻率較高、頻段范圍寬，因此資料率很高

   ? 方向：信號固定方向傳播

   ? 兩種應用：

   ? 1）底面微波接力通信

   ? 2）衛星通信：

   ? 衛星通信的優缺點：

   優點	缺點
   通信容量大	傳播時延長（250-270ms）
   距離遠	受天氣影響大（如：強風、太陽黑子爆發、日凌）
   覆寫廣	誤碼率較高
   廣播通信和多址通信	成本高

   （3）紅外線、激光：把要傳輸的信號分別轉換為各自的信號格式，即紅外信號和激光信號，

   ? 再在空間中傳播

   ? 方向：信號固定方法傳播

7、物理層設備

1. 中繼器

   （1）誕生原因：由于存在損耗，在線路和是哪個傳輸的信號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接受錯誤

   （2）中繼器的功能：對信號進行再生和還原，對衰減的信號進行放大，保持與原資料相同，以增加信號傳輸的距離，延長網路的長度

   （3）中繼器的兩端：

   ? 1）兩端的網路部分是網段，而不是子網，適用于完全相同的兩類網路的互連，且兩個網段速率要相同，中繼器只講任何電纜段上的資料發送到另一段電纜上，它僅僅作用于信號的電氣部分，并不管資料中是否有錯誤資料或不適于網段的資料

   ? 2） 兩端可以連接相同媒體 也可以連不同的媒體

   ? 3）中繼器兩端的網段一定是同一協議，（中繼器不會存盤轉發）

   （4）5-4-3規則：網路標準中都對信號的延遲范圍作除了規定，因而中繼器只能在規定的范圍進行，否則會網路故障

2. 集線器（多口中繼器）

   （1）集線器的功能：對信號進行再生放大轉發，對衰減的信號進行放大，接著轉發到其他所有（除了輸入埠外）處于作業轉態的埠上，以增加信號傳輸的距離，延長網路的長度，不具備信號的定向傳送能力，是一個共享式設備

   （2）集線器不能分隔沖突域,連在集線器上的作業主機平分帶寬

8、知識點總結

?

?