计算机网络 第2章 物理层

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物理层任务:实现相邻节点之间比特(0或1)的传输。

通信基础基本概念

  • 信源:信号的来源(即数据的发送方)

  • 信宿:信号的"归宿"(即数据的接收方)

  • 数据:即信息的实体(如:文字、声音、图像),在计算机内部数据通常是二进制

  • 信号:数据的载体

    • 数字信号:信号值是离散的
    • 模拟信号:信号值是连续的
  • 信道:信号的通道

    注:一条物理线路通常包含两条通道,即发送通道、接收通道

  • 码元:每个信号就是一个码元

    注:在一个信号周期内,可能出现4种信号,每种信号对应一个4进制数(2bit)。

    • 如果一个码元(即一个信号)可能有4种状态,那么可以称其为4进制码元(一个码元携带2bit数据)
    • 如果一个码元(即一个信号)可能有8种状态,那么可以称其为8进制码元(一个码元携带3bit数据)

    一个码元可以携带多少比特数据?

    如果一个周期内可能出现K种信号,则 1码元 = log~2~K bit

  • 码元宽度:信号周期

    1个信号周期内有更多的信号优缺点

    优点:每个信号周期可以传输更多的信息。换句话说,每个码元可以携带更多信息。

    缺点:需要加强信号功率,并且对信道的要求更高。

  • 速率

    • 波特率:每秒传输几个码元。

      单位:码元/秒,或波特(Baud)

    • 比特率:每秒传输几个比特

      单位:bit/s,或b/s,bps

信道的极限容量


编码与调制

常用的编码方法


如何判断是曼彻斯特or差分曼彻斯特?

两种编码都是"中必变",如果中间跳变方向和二进制能够一一对应,就是曼彻斯特。

常用的调制方法


以太网默认使用曼彻斯特编码

传输介质

transmission medium 也可译为"传输媒体"

常用的传输介质

  • 导向型:信号朝固定方向传播。如双绞线、同轴电缆、光纤
  • 非导向型:信号朝四面八方传播。如无线传输介质

双绞线

  1. 主要构成:两根导线相互绞合而成
    • 有屏蔽层 = 屏蔽双绞线(STP)
    • 没有屏蔽层 = 非屏蔽双绞线(UTP)
  2. 抗干扰能力:较好。绞合、屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力。抗噪声
  3. 代表应用:近些年的局域网、早期电话线

提高绞合度、增加屏蔽层的意义

  1. 抗电磁干扰能力强
  2. 信道噪声功率低
  3. 信道极限速率高

同轴电缆

  1. 主要构成:内导体(用于传输信号)+外导体屏蔽层(用于抗电磁干扰)
  2. 抗干扰能力:好。屏蔽层带来良好的抗干扰性
  3. 代表应用:早期局域网、早期有线电视

内导体越粗,电阻最低,传输过程中信号衰减减少,传输距离越长

光纤

  1. 主要构成
    • 纤芯(高折射率)+包层(低折射率)
    • 利用光的全反射特性,在纤芯内传输光脉冲信号
  2. 分类
    • 单模光纤:只有一条光线在一根光纤中传输,适合长距离传输,信号传输损耗小
    • 多模光纤:多条光线在一根光纤中传输,适合近距离传输,远距离传输光信号容易失真
  3. 抗干扰能力:非常好。光信号对电磁干扰不敏感
  4. 其他优点:信号传输损耗小,长距离传输时中继器少;很细很省布线空间

以太网对有限传输介质的命名规则


无线传输介质

  1. 无线电波
    • 特点:穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱
    • 如:手机信号、WiFi
  2. 微波通信
    • 特点:频率带宽高、信号指向性强、保密性差(容易被窃听)
    • 如:卫星通信(卫星作为信号中继器,传播时延较大)
  3. 其他:红外线通信、激光通信等:信号指向性强

本质上都是用电磁波。电磁波的公式:C=λF,C为光速,λ为波长,F为频率

  • 电磁波频率、波长成反比关系
  • 频率越高,数据传输能力越强
  • 波长越短,信号指向性越强,信号越趋于直线传播
  • 波长越长,绕射性越好,也就是信号穿墙能力越强

结论:长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、告诉通信,若用于长距离通信需建立中继站;短波信号指向性强,要求信号接收器对准信号源

物理层接口的特性

  • 机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置 等
  • 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制 等
  • 功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
  • 过程特性(规程特性):指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层设备

中继器

  • 中继器只有两个端口。通过一个端口接收信号,将失真信号整形再生,并转发至另一端口(会产生一些时延)
  • 仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据,会导致"冲突")
  • 中继器两个端口对应两个"网段"

集线器

  • 本质上是多端口中继器。集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后,转发到所有其他端口
  • 各端口连接的结点不可同时发送数据,会导致"冲突"
  • 集线器的N个端口对应N个"网段",各网段属于同一个"冲突域"

同一冲突域的主机同时发送信号会导致"冲突"因此需要"信道争用"

一些特性

  • 集线器、中继器不能"无限串联"
  • 集线器连接的网络,物理上是星形拓扑,逻辑上是总线型拓扑
  • 集线器连接的各网段"共享带宽"
  • 集线器可以连接不同的传输介质,因此两个网段的物理层接口特性可以不同 (这就意味着集线器连接的网段,"物理层协议"可以不同)
  • 集线器如果连接了速率不同的网段,会导致所有网段"速率向下兼容"
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