计算机网络之物理层(数据通信有关)

一、概述

1.1物理层引入的目的

屏蔽掉传输介质的多样性,导致数据传输方式的不同;物理层的引入使得高层看到的数据都是统一的0,1构成的比特流

1.2.物理层如何实现屏蔽

物理层靠定义的不同的通信协议(一般称通信规程)

这些协议的主要特征表现:物理层标准(机械特性(管脚多少,大小,形状),电气特性(电压高低)功能特性,过程特性(做出什么相应))

1.3物理层下的传输媒体

  1. 引导型传输媒体(有线)
  2. 非引导型传输媒体(无线)

重点:
双绞线的绞合目的 :抵御部分来自外界的电磁波干扰和减少相邻导线的电磁干扰。
光纤分为:多模光纤和单模光纤。

1)导向性 (能够将数字信号按固定方向传导的)

铜介质:金属铜材料构成的

同轴电缆,双绞线(虽然带宽低,编码的方式提升了比特的传输速率)

塑料介质:

光纤导线

要求掌握:不同传输介质的传输特性,各种介质优缺点

2)非导向性(不能控制数据信号传输方向)

无线:

红外线(遥控器:功耗小)微波传输(卫星,空间站) Wi-Fi 蓝牙

1.4通信模型中相关术语

1)信息 :通讯的目的是传输信息

2)数据:数据是信息的载体

3)信号:数据的外在表现形式

信号分为:连续变化的模拟信号 (正弦波),离散变化的数据信号(脉冲)

4)信号的变换:信号由一种形式变化成另一种形式 调制

数字信号---》数字信号 编码

数字信号---》模拟形式 调制

5)常见的编码技术

6)常见的调制技术

1.5传输方式

★串行/并行传输

串行传输 是指数据是1个比特1个比特依次发送的,发送端与接收端之间只用1条数据传输线即可
并行传输 是指一次发送n个比特而不是一个比特,在发送端和接收端之间要有n条传输线路

在计算机网络中,数据在传输线路上的传输时串行传输;而计算机内部(如CPU和内存)多使用并行传输

★同步传输

数据块以稳定的比特流形式传输 ,字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻(有区分0,1的标志)进行检测,以判别接收到的是比特0还是1

由于不同设备的时钟频率存在一定差异,不可能完全相同,在传输大量数据的过程中,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。因此需要采取方法使双方的时钟保持同步
收发双方时钟同步方法

  • 外同步:在收发双方之间加一条单独的时钟信号线
  • 内同步:发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(如曼彻斯特编码)

★异步传输

以字节为独立的传输单位,字节间的时间间隔不是固定的,接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步,为此通常传送前要在每个字节前后加上起始位和结束位。

  • 异步是指字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)
  • 字节中的每个比特仍然要同步(各比特的持续时间是相同的)

单工/半双工/全双工

  • 单工通信:通信双方只有一个数据传输方向(无线电广播)
  • 半双工通信:通信双方可以相互传输数据,但不能同时进行(对讲机)
  • 全双工通信:通信双方可以同时发送和接收消息(电话)

单工需要一条信道;其他的需要两条(一个方向一条),

1.6编码与调制

消息:需要计算机帮助用户处理和传输的文字、图片、音频、视频等。

数据:运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。

信号:数据的电磁表现。

基带信号:由信源发出的原始电信号。基带信号又可分为两类:

  1. 数字基带信号
  2. 模拟基带信号

信道 可分为数字信道 和模拟信道两种。信号需要在信道中进行传输

常用编码

①不归零编码

正电平代表比特1,负电平代表比特0。在整个码元时间内,电平不会出现零电平
这种编码方式如何区分连续几个相同电平呢?

这要求发送方发送和接收方接收严格同步,这就需要额外一根传输线来传输时钟信号。接收方按照时钟节拍逐个接收码元。但是对于计算机网络,多的线不如拿来传输数据,因此由于存在同步问题,计算机中的数据传输不使用不归零编码

②归零编码

每个码元传输结束后信号都要"归零",所以接收方只要在信号归零后进行采样即可,不需要单独的时钟信号。

实际上,归零编码相当于把时钟信号用"归零"方式编码在了数据之内,这称为"自同步"信号

归零编码中的大部分数据带宽 都用来传输"归零"而浪费掉了(编码效率低)

③曼彻斯特编码

码元的中间时刻既表示时钟,又表示数据。根据正负跳变来区分比特
具体如何根据跳变实现同步?

第一次数据跳变的时间记录下来【即半个码元的时间】,此后每过一个码元的时间就进行检测,根据跳变方向决定数据为0还是1。

④差分曼彻斯特编码

①跳变仅表示时钟 ②码元开始处电平是否发生变化表示数据。
比曼彻斯特变化少,更适合较高的传输速率

基本调制方法

1.7信道的极限容量

通信质量较差的信道在传输信号的过程中会发生严重失真 (无法识别原信号)【码间串扰】

失真因素

  • 码元传输速率
  • 信号传输距离
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量

奈氏准则

信道传输容量

信号不能无限制的传输速率 在低通信情况下(无噪声,带宽受限)码元传输速率是有影响的 2W

香农公式

信道无差别传输速率

按香农定理指导,一定有一种方法保证数据能以这样的速率无差错的进行传输

1.8信道的复用技术

1)目的

提供传输介质的利用率

信道是信号传输通路,信道的载体是具体的传输介质

2)方法

频带细分;时间细分;编码细分

频分多路复用技术,将传输介质的同频带进行划分,划分出不同的子频带,然后让每一路信号在不同子频带上传输,从而让多路信号同时进行传输

3)具体实现

1.频分多路复用技术

2.时分多路复用技术

3.波分多路复用技术

4.码分多路复用技术

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