計算機網(wǎng)絡第二章--物理層
說明：
- 該筆記基于《計算機網(wǎng)絡》--謝希仁版本編寫
- 這篇筆記用于自我復習谒出，水平有限隅俘，歡迎指正！
- 這篇筆記是我第一次使用Markdown編寫的博客笤喳，排版有誤請見諒为居。
2.1 物理層的基本概念
傳輸媒體
- 導引型傳輸媒體
- 雙絞線
- 同軸電纜
- 光纖
- 非導引型傳輸媒體
- 微波通信（2~40GHz）
物理層協(xié)議的主要任務
- 機械特性
- 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數(shù)目和排列莉测、固定和鎖定裝置颜骤。
- 電氣特性
- 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍
- 功能特性
- 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義
- 過程特性
- 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序
注意
- 物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流
- 物理層為數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽了各種傳輸媒體的差異唧喉，使數(shù)據(jù)鏈路層只考慮如何完成本層的協(xié)議和服務捣卤，而不必考慮網(wǎng)絡具體的傳輸媒體是什么。
2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識
傳輸方式
1. 串行傳輸八孝、并行傳輸
串行傳輸：
- 數(shù)據(jù)是一個比特一個比特發(fā)送的
- 數(shù)據(jù)在發(fā)送端和接收端之間只需要一條數(shù)據(jù)傳輸線路
并行傳輸：
- 一次發(fā)送N個比特
- 在發(fā)送端和接收端之間需要N條傳輸線
注意
- 并行傳輸成本高
- 速度使串行傳輸?shù)腘倍
- 計算機內部常采用并行傳輸（例如CPU與內存之間用總線進行傳輸 8位董朝、16位）
2. 同步傳輸、異步傳輸
同步傳輸：
- 數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸干跛，字節(jié)之間沒有間隔
- 接收端在每個比特時段的中間時刻進行檢測子姜，判別接收到的是比特0還是比特1
收發(fā)雙方時鐘同步的方法
- 外同步：在收發(fā)雙方之間添加一條單獨的時鐘信號線
- 內同步：發(fā)送端將時鐘同步信號編碼到發(fā)送數(shù)據(jù)中一起傳輸（例如曼徹斯特編碼）
異步傳輸：
- 采用獨立的傳輸單位、字節(jié)之間的時間間隔不是固定的
- 接收端僅在每個字節(jié)的起始處對字節(jié)內的比特實現(xiàn)同步楼入，為此通常要在每個字節(jié)前后加上起始位和結束位
異步
- 字節(jié)之間異步（字節(jié)之間的時間間隔不固定）
- 字節(jié)中的沒個比特仍然要同步（各個比特的持續(xù)時間是相同的）
3. 單向通信哥捕、雙向交替通信、雙向同時通信
單工（單向通信）
- 只用一個數(shù)據(jù)傳輸方向（例如：無線電廣播）
- 只需要一條信道
半雙工（雙向交替通信）
- 雙方可以相互傳遞數(shù)據(jù)但不能同時進行（例如：對講機）
- 需要兩條信道
全雙工（雙向同時通信）
- 雙方可以同時傳遞接收信息（例如：電話）
- 需要兩條信道
編碼與調制
消息（文字嘉熊、圖片遥赚、音頻、視頻）
數(shù)據(jù)（二進制）運送消息的實體
信號：數(shù)據(jù)的電磁表現(xiàn)
基帶信號：信源發(fā)出的原始信號
- 數(shù)字基帶信號（例如：計算機內部CPU與內存）
- 模擬基帶信號（例如：麥克風發(fā)出聲音后產(chǎn)生的音頻信號）
- 數(shù)字信道（編碼）
- 模擬信道（調制）
碼元
在使用時間域的波形表示數(shù)字信號時阐肤，代表不同離散數(shù)值的基本波形
常用編碼
-
不歸零編碼
：在整個碼元時間內電平不會出現(xiàn)零電平- 正電平表示比特 1凫佛，負電平表示比特 0
如果有連續(xù)多個0/1電平，接收端如何判斷孕惜？
1. 需要額外一根傳輸線來傳輸時鐘信號愧薛，使發(fā)送方和接收方同步
2. 對于計算機網(wǎng)絡，寧愿利用這跟傳輸線傳輸數(shù)據(jù)信號衫画，而不是傳輸時鐘信號
由于該編碼方式存在同步問題毫炉，計算機網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)中不采用這類編碼
- 歸零編碼
1. 每個碼元傳輸后信號都要歸零，所以接收方只要在信號歸零后進行采樣即可削罩，不需要單獨的時鐘信號
2. 實際上瞄勾，歸零編碼相當于把時鐘信號用“歸零”方式編碼在了數(shù)據(jù)之內遵馆，這稱為“自同步信號”
3. 優(yōu)點：自同步
缺點：編碼效率低
- 曼徹斯特編碼
：每個碼元在其中間時刻發(fā)生跳變
- 負跳變表示比特 1，正跳變表示比特 0
- 碼元中間時刻的跳變即表示時鐘又表示數(shù)據(jù)（傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用曼徹斯特編碼）
- 差分曼徹斯特編碼
- 跳變僅表示時鐘
- 碼元開始處電平是否發(fā)生表示數(shù)據(jù)
基本調制方法
數(shù)字基帶信號通過調制方法調制成模擬信號
-
調幅（AM）
- 無載波輸出表示比特 0
- 有載波輸出表示比特 1
-
調頻（FM）
- 頻率f1的波形表示比特 0
- 頻率f2的波形表示比特 1
-
調相（PM）
- 初相位0度的波形表示比特 0
- 初相位180度的波形表示比特 1
使用基本調制方法丰榴，一個碼元只能包含一個比特信息
混合調制
因為頻率和相位是相關的货邓，即頻率和相位隨時間的變化率。所以一次只能調制頻率和相位兩個中的一個
- 正交振幅調制（QAM）
- 通常情況下四濒，相位和振幅可以結合起來一起調制
- QAM16
- 12種相位
- 每種相位有1或2種振幅可選
- 可以調制出16種碼元（波形）换况，每種碼元可以對應表示4個比特
- 每個碼元與4個比特的對應關系不能隨便定義
- 任意兩個相鄰碼元只有1個比特不同
信道極限容量
產(chǎn)生失真的因素
- 碼元傳輸速率
- 信號傳輸距離
- 噪聲干擾
- 傳輸媒體質量
奈氏準則
- 在理想條件下，為了避免碼間串擾盗蟆，碼元傳輸速率是有上限的
- 理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2W Baud=2W 碼元/秒
- 理想帶通信道的最高碼元傳輸速率=W Baud=W 碼元/秒
- W : 信道帶寬（單位為Hz）
- Baud : 波特戈二，即碼元/秒
- 碼元傳輸速率又稱為波特率、調制頻率喳资、波形頻率或符號頻率觉吭，它與比特率有一定關系
- 當1個碼元只攜帶1比特的信息量是，即波特率（碼元/秒）與比特率（比特/秒）在數(shù)值上是相等的
- 當1個碼元攜帶n比特的信息量時仆邓，即波特率轉換成比特率時鲜滩，數(shù)值要乘以n
- 要提高信息傳輸速率（比特率）就必須設法使每一個碼元能攜帶多個比特的信息量。這需要多元制（混合調制）
- 實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元效率节值，要明顯低于帶式準則給出的這個上限數(shù)值
香濃公式
帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率
C=W
- C : 信道的極限信息傳輸速率（單位：b/s）
- W : 信道帶寬（單位：Hz）
- S : 信道內所傳信號的平均功率
- N : 信號內的高斯噪聲功率
- S/N: 信噪比徙硅，使用分貝（dB）作為度量單位
- 信噪比(dB)：
dB = 10
(dB)
2.3物理層下面的傳輸媒體
導引型傳輸媒體
- 同軸電纜
- 基帶同軸電纜（50 Ω）
數(shù)字傳輸、過去用于局域網(wǎng)
+ 寬帶同軸電纜（75 Ω）
> 模擬傳輸搞疗、目前主要用于有線電視 - 雙絞線
- 無屏蔽雙絞線電纜
絞合的作用
- 抵御部分來自外界的電磁波干擾
- 減少相鄰導線的電磁干擾
- 屏蔽雙絞線電纜
- 光纖
纖芯直徑
- 多模光纖：50微米嗓蘑，62.5微米 (只適合近距離傳輸【建筑物內】)
- 單模光纖：9微米 (適合長距離傳輸，價格昂貴)
包層直徑不超過125微米
工作波長
- 0.85微米（衰減較大）
- 1.30微米（衰減較心淠恕）
- 1.55微米（衰減較凶蟆）
光纖的優(yōu)點
- 通信容量大（25000~300000GHz的帶寬）
- 傳輸損耗小，遠距離傳輸時更經(jīng)濟
- 抗雷電和電磁干擾性好幢炸。這在大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要
- 無傳音干擾泄隔，保密性好，不易被竊聽
- 體積小阳懂，重量輕
- 電力線
非導引型傳輸媒體
- 無線電波
- 低頻和中頻（LF梅尤、MF） 主要靠地面波
- 高頻和甚高頻（HF、VHF） 主要靠電離層的反射
- 微波
- 地面微波接力通信
- 衛(wèi)星通信（通信距離遠岩调，傳播時延大）
- 紅外線
- 點對點無線傳輸
- 直線傳輸巷燥、中間不能有障礙物、傳播距離短
- 傳輸速率低（4 Mb/s~16 Mb/s）
- 可見光
信道復用技術
信道復用
復用是通信技術中的一個重要概念号枕。復用就是通過一條物理線路同時傳輸多路用戶的信號缰揪。
當網(wǎng)絡中傳輸媒體的傳輸容量大于多條單一信道傳輸?shù)目偼ㄐ帕繒r，可利用服用技術在一條物理線路上建立多條通信信道來充分利用傳輸媒體的帶寬。
常用的信道復用技術
- 頻分復用 FDM
: 頻分復用的所有用戶同時占用不同的頻帶資源并行通信- 時分復用 TDM
: 時分復用的所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度- 波分復用 WDM
- 碼分復用 CDM
- 在CDMA（碼分多址）中钝腺，每一個鼻涕時間在劃分為m個短的間隔抛姑，稱為碼片。通常m的值是64或128
- 使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列
- 一個站如果要發(fā)送比特 1艳狐，則發(fā)送它自己的 m bit碼片序列
- 一個站如果要發(fā)送比特 0定硝，則發(fā)送它自己的 m bit碼片序列的二進制反碼
【舉例】
指派給CDMA系統(tǒng)中某個站點的碼片序列為 00011011
發(fā)送比特 1： 發(fā)送自己的碼片序列 00011011
發(fā)送比特 0： 發(fā)送自己的碼片序列的二進制反碼 11100100
[為了方便，我們按慣例將碼片序列中的 0 寫為 -1 毫目，將 1 寫為 +1]
則該站點的碼片序列為（-1蔬啡，-1，-1镀虐，+1箱蟆，+1，-1刮便，+1空猜，+1）
碼片序列的挑選原則如下：
- 分配給每個站的碼片序列必須各不相同
- 分配個每個站的碼片序列必須相互正交
不嚴格區(qū)分多址和復用的概念
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