计算机网络 第2章 物理层

文章目录

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 = log2K 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"
相关推荐
初学者_xuan20 小时前
Linux程序与进程和进程程序基础以及程序管理(零基础掌握版)
运维·计算机网络·网络安全·零基础·学习方法·linux程序管理
武文斌771 天前
计算机网络:服务器处理多客户端(并发服务器)
网络·计算机网络
不会学习?1 天前
计算机网络
经验分享·笔记·计算机网络
哦你看看2 天前
计算机网络技术(下)
网络·计算机网络
神齐的小马2 天前
计算机网络学习笔记
笔记·学习·计算机网络
superlls4 天前
(计算机网络)JWT三部分及 Signature 作用
java·开发语言·计算机网络
.Shu.5 天前
计算机网络 TLS握手中三个随机数详解
网络·计算机网络·安全
.Shu.5 天前
计算机网络 各版本TLS握手的详细过程
网络·计算机网络
最好的药物是乌梅5 天前
OSI参考模型&TCP/IP模型 二三事
tcp/ip·计算机网络·408·流量控制·osi模型·计算机考研·拥塞控制
谢尔登5 天前
【计算机网络】 IPV4和IPV6区别
运维·服务器·计算机网络