计算机网络(2) —— 物理层
物理层的基本概念
物理层:如何在连接计算机的传输媒体(光纤、双绞线、无线)上传输比特流。
物理层的主要任务为:规定传输媒体接口的一些特性:
- 机械特性:例如接口形状、接口大小、引线数目。
- 电气特性:例如电压范围(-5V~+5V)。
- 功能特性:例如-5V表示0,+5V表示1。
- 过程特性:建立连接时各个相关部件的工作步骤。
数据通信基础
数据通信模型
网线通过改变电压来模拟数字信号。比如0V表示0,5V表示1。或者-5V表示0,+5V表示1。
常用术语
信息:通信的目的是传送信息。
数据:将信息进行编码后变成数据,再进行传输。
信号:在通信线路上,数据需要变成电信号或光信号。
模拟信号:消息参数的取值是连续的。比如:1,2,3,4,5,6,7,8,9… 模拟信号在传输过程中如果出现信息干扰,导致波形变化,很难纠正。
数字信号:消息参数的取值是离散的。
比如:1和0,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,6,7,8。数字信号通过再生中继器可以修复指针的波形。
模拟信号转换成数字信号:
码元:数字信号波形中的一个基本单位。码元可以携带不同的信息量,比如模拟数字转化图中,图3的一个码元携带了3bit信息,图4的一个码元携带了1bit。
信道
信道:信息传输的通道。一条传输介质上可以有多条信道(多路复用)。
单向通信(单工通信):信号只能向一个方向传送,并且不能改变传送方向。比如:无线电广播、有线电视广播。
双向交替通信(半双工通信):信号可以双向传送,但是必须交替进行,同一时间只能向一个方向传送。比如:对讲机。
双向同时通信(全双工通信):信号可以双向传送,并且同时传送。比如:电话、手机。
调制
基带信号:来自信源的信号。比如,电台主播发出的声音,网页显示的内容。
带通信号:将基带信息经过载波调制后的信号。比如:电台发出的电波,网络传输的数据。
调制分为基带调制和带通调制两大类。
基带调制
基带调制(编码):将一种数字信号转换成另一种数字信号。编码仅对基带信号的波形进行变换,使它能与信道特性相适应,变化后的信号仍然是基带信号。比如,主机中的网页数据转换成显示屏画面。
单极性归零码:01110表现为 0 01 01 01 0
双极性归零码:-1111-1表现为 0-10 010 010 010 0-10
单极性不归零码:01110表现为 0 1 1 1 0
双极性不归零码:-1111-1表现为 -1 1 1 1 -1
曼彻斯特编码:低-高表示0,高-低表示1。
差分曼彻斯特编码:bit-bit之间有信号跳变表示0,bit-bit之间无信号跳变表示1
带通调制
带通调制:将数字信号转换成带通信号。通过载波调制,将基带信号的频率范围搬移到较高的频段,以便在信道中传输。比如,将网页的内容转换成数据传输到主机上。
带通调制的方法:
调幅(AM):无振幅表示0,有振幅表示1。
调频(FM):低频表示0,高频表示1。
调相(PM):正弦波表示0,余弦波表示1。
信道极限容量
实际的信道带宽一定存在噪声,噪声会使得信号波形发生改变。
信道带宽 = 最高频率 - 对低频率
奈式准则
奈氏准则:在理想条件下,码元传输的速率有上限值,否则就会出现码间串扰问题。
理想条件下的极限数据传输率=2Wlog2V(b/s) ;
W:信道带宽,单位HZ
V:几种码元/码元的离散电平数目
香农公式
信噪比:信号的平均功率S和噪声的平均功率N之比,常记为S/N或SNR,单位为分贝dB。
SNR=10×log10(S/N)(dB)
香农定理:在带宽受限的有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值。
C=W log2(1+S/N)(b/s或bps)
C:信道的极限数据传输速率
w:带宽,单位HZ
S/N:信噪比
香农公式表明 :
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。
- 对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了。
- 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
- 香农定理得出的为信道的极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
物理层下面的传输媒体
导向传输媒体
导向传输媒体,指电磁波沿着固体媒体传播。
双绞线
- 无屏蔽双绞线 UTP:将两根铜线缠绕起来,可以降低两根铜线之间的电磁干扰。
- 屏蔽双绞线 STP:屏蔽层可以屏蔽外界的电磁干扰。
同轴电缆(有线电视)
- 50Ω同轴电缆(基带同轴电缆):用于数字传输,多用于基带传输。
- 75Ω同轴电缆(宽带同轴电缆):用于模拟传输,多用于带通传输。
网线
不同设备用直通线(T568B-T568B),相同设备交叉线(T568B-T568A)。
光纤
优点:
- 通信容量非常大
- 传输损耗小,中继距离长。(远距离传输非常经济)
- 抗雷电和电磁干扰性能好。(在大电流脉冲干扰环境下尤为重要)
- 无串音干扰,保密性好,不易被窃听或截取数据。
- 体积小,重量轻。
单模光纤:使用昂贵的半导体激光器,衰耗较小。
多模光纤:使用便宜的发光二极管,衰耗较大。
非导向传输媒体
非导向传输主要指无线传输
无线电频段
短波通信
短波通信即高频通信,主要依靠电离层的内射,通信质量较差。
微波通信
微波通信,主要是直线传播,延迟比较大。
物理层设备
集线器
集线器:只起到信号放大和重发的作用。
其目的是扩大网络的传输范围,但不具备信号的定向传送能力。因为集线器只要接受到信号,就会向所有连接到该集线器的网线传送信号。
并且在集线器传送数据时,其他网线无法传送信号到集线器,所以说集线器是一个大的冲突域。(物理层设备,毫无智商可言)
中继器
中继器:中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能。用于扩展局域网网段的长度(仅用于连接相同的局域网网段)。
信道复用技术
单独使用信道浪费资源。
频分复用 FDM
频分复用 :在带宽中给,每个用户分配一个固定的频带。
频分复用的实现过程:
时分复用 TDM
时分复用:将时间划分为一段等长的时分复用帧(TDM帧)。在每一个TDM帧中,给每个用户分配一个固定序号的时隙。
但是时分复用会造成资源浪费:
于是出现了统计时分复用,在数据上加上了标记:
波分复用
波分复用:实际上就是光的频分复用。光使用波长表示,而不是频率表示。
宽带接入技术
xDSL
铜线宽带接入技术(x Digital Subscriber Line):也就是数字用户线路的总称,是使用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。
ADSL
非对称数字用户线路(Asymmetric Digital Subscriber Line):亦可称作非对称数字用户环路,也是使用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。
ADSL 考路了用户访问互联网的主要目的是获取网络资源,所以需要更多的下载流量,较少的上行流量。因此 ADSL 上行下行的带宽被设计成了不对称的形式。
ADSL接入网络的组成:
HFC
光纤同轴混合网(Hybrid Fiber Coax):是在覆盖面非常广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。
HFC接入网络的组成:
光纤接入技术
从技术上讲,光纤到户是最好的选择。就是把光纤一直铺设到用户家中,在用户家中才将光信号转换成电信号,这样用户可以得到更高的上网速率。
根据光线到用户的距离来分类:
- 光纤到小区 FTTZ(Fiber To The Zone)
- 光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)
- 光纤到大楼 FTTB(Fiber To The Building)
- 光纤到户 FTTH(Fiber To The Home)
- 光纤到桌面 FTTD(Fiber To The Desk)
移动互联网接入技术
移动互联网:就是将移动通信和互联网二者结合起来,成为一体。
4G IP网络: