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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
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信源:信号的来源(即数据的发送方)
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信宿:信号的"归宿"(即数据的接收方)
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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
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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
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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
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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
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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。
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速率
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波特率:每秒传输几个码元。
单位:码元/秒,或波特(Baud)
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比特率:每秒传输几个比特
单位:bit/s,或b/s,bps
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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
- 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)
- 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
- 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
- 抗电磁干扰能力强
- 信道噪声功率低
- 信道极限速率高
同轴电缆
- 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)
- 抗干扰能力:好。屏蔽层带来良好的抗干扰性
- 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
- 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
- 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
- 抗干扰能力:非常好。光信号对电磁干扰不敏感
- 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
- 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
- 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)
- 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"