主要功能:提供透明的比特流傳輸
注意:1.封裝好的數(shù)據(jù)以“0废亭,1”比特流的形式進行傳遞。
?????????? 2.物理層的傳輸不關心比特流攜帶的信息砌左,只關心比特流的正確搬運
物理層的四大特性:
1.機械特性:指明接口所有接線器的形狀燃辖、尺寸、引腳數(shù)和排列等咐柜。
2.電氣特性:指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓范圍。
3.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攘残。
4.規(guī)程特性:指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序(類似于協(xié)議)拙友。
物理層上數(shù)據(jù)的傳輸:信號(數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn))
模擬信號:對應時域的信號取值是連續(xù)的。
數(shù)字信號:對應時域的信號取值是離散的歼郭。
碼元:代表不同離散值的基本波形(在數(shù)字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數(shù)字遗契,這樣的時間間隔內(nèi)的信號稱為(二進制)碼元)。
信號在信道/傳輸介質(zhì)上傳輸:信號在傳輸?shù)倪^程中病曾,可以看成由很多不同頻率的分量的傳輸牍蜂,由于高頻分量的不等量衰減,接收方收到的信號是衰減和變形(失真)的泰涂,一般來說鲫竞,從0-fc這一頻段,振幅在傳輸過程中不會明顯衰減负敏,fc稱為截止頻率(單位赫茲)贡茅。
物理帶寬:傳輸過程中振幅不會明顯衰減的頻率范圍,單位赫茲。是一種物理特性顶考,通常取決于介質(zhì)材料的構(gòu)成赁还、長度、厚度驹沿。
數(shù)字帶寬:單位時間內(nèi)流經(jīng)的信息總量艘策。
物理帶寬和數(shù)字帶寬的關系:奈奎斯特定理、香農(nóng)定理渊季。
奈奎斯特定理(理想信道):在無噪聲信道中朋蔫,當物理帶寬為BHz,信號離散等級為V級却汉,那么該信道能提供的最大傳輸速率(數(shù)字帶寬)為
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任意一個信號通過一個物理帶寬為B的低通濾波器驯妄,只要進行每秒2B次的采樣就可以完全重構(gòu)出被濾掉的信號(任何高于2B次的采樣都毫無意義)。
香農(nóng)定理:在噪聲信道中合砂,如果物理帶寬為BHz青扔,信噪比為S/N,那么最大傳輸速率(數(shù)字帶寬)為:
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很多情況下翩伪,噪聲用分貝(db)表示
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在信道一定時微猖,物理帶寬確定,要想提高最大傳輸速率(數(shù)字帶寬)缘屹,只有增加信噪比凛剥。
傳輸介質(zhì)
根據(jù)是否有形,可分為引導性(有線轻姿,包括銅線犁珠、光纖等)和非引導性(無線,包括無線電互亮、衛(wèi)星等)盲憎。
引導性傳輸介質(zhì):
1.同軸電纜
基帶同軸電纜:50,用于數(shù)字傳輸(屏蔽層為銅)
寬帶同軸電纜:75胳挎,用于模擬傳輸(屏蔽層為鋁)
2.雙絞線
由兩根具有絕緣層的銅導線按照一定密度,逆時針絞合而成溺森∧脚溃可以消除近端串擾。絞距越小屏积、越均勻医窿,抵消效果越好,傳輸性能越小炊林。
非屏蔽雙絞線(UTP):用于局域網(wǎng)姥卢。成本低、尺寸小、便于安裝独榴,但易受干擾僧叉,傳輸性能和距離受到絞距的影響。
屏蔽雙絞線(STP):抗EMI棺榔、RFI干擾瓶堕,但成本高、安裝不易症歇。
網(wǎng)屏式雙絞線(ScTP):在成本和抗干擾之間做了折中郎笆。
直通線:線兩頭的線序一致(比如連接交換機和PC)。
交叉線:不一致(比如連接兩臺路由器)忘晤。
3.電力線
4.光纖(光導纖維)
由極細的玻璃纖維構(gòu)成宛蚓,把光封閉在其中沿軸向進行傳播。玻璃覆蓋層的折射率比玻璃芯低设塔,以保證光都被限制在玻璃芯內(nèi)凄吏。光纖的工作原理是光的全反射。優(yōu)點有重量輕壹置、損耗小竞思、不受電磁輻射干擾、傳輸頻帶寬钞护、通信容量大盖喷,缺點有昂貴、易斷裂难咕。通常以光纜的形式存在课梳,主要用于干線。
單模光纖:單一模式傳輸余佃,激光產(chǎn)生的單束光暮刃。
多模光纖:以多個模式同時傳輸,LED產(chǎn)生的多束光爆土。
光傳輸系統(tǒng)組成:光源(LED和激光)椭懊,傳輸介質(zhì)(光纖),探測器步势。
光纖和銅線的比較:光纖帶寬高氧猬、距離遠、損耗低坏瘩、重量輕盅抚、無電磁干擾和射頻干擾、防竊聽倔矾,端口設備昂貴妄均。
選擇傳輸介質(zhì):傳輸速率柱锹、成本要求、周圍環(huán)境丰包、介質(zhì)間的互操作性和相容性禁熏、最優(yōu)性價比。
復用技術
頻分多路復用(FDM):在干線的起點烫沙,信道的頻譜被分成若干段(子帶)匹层,每個用戶占用一段來傳輸自己的信號。到了干線終點锌蓄,每個子帶的信號被單獨分離出來給各個用戶升筏。相鄰用戶使用的頻帶之間通常有一定帶寬,以免混淆瘸爽,這個頻段被稱為保護帶您访。
正交頻分多路復用(OFDM):可以更好的利用帶寬。沒有保護帶剪决,且子帶之間相互重疊灵汪,同樣的干線可以承載更多的用戶。
波分多路復用(WDM):本質(zhì)和FDM一樣柑潦,在光纖上復用信號享言,按照不同波長分離。當相鄰波長間隔很近渗鬼,子信道數(shù)目非常大览露,即為密集波分多路復用(DWDM)。
時分多路復用(TDM):在時間上共享信道譬胎,將時間分為非常短的時間片差牛。要求時間上必須同步,為了適應時鐘的微小變化堰乔,可能要求增加保護時間間隔偏化。各用戶需要的帶寬不均衡,而TDM用戶時間片的使用卻是一樣的镐侯,將造成信道的浪費侦讨,不高效。
統(tǒng)計時分多路復用(STDM):動態(tài)分配信道苟翻,不使用信道的用戶不分配搭伤,分給有需要的用戶使用,利用率可提高2-4倍(按需分配)袜瞬。通常只在高速遠程通信中使用,如ATM身堡,不適用于用戶平均使用信道的情況邓尤。
碼分多路復用技術(CDMA):一種擴展頻譜技術。允許每個站利用整個頻段發(fā)送信號,且沒有時間限制汞扎。CDMA的關鍵在于能夠提取出需要的信號季稳,同時拒絕所有其他信號,并把這些信號當做噪聲澈魄。在CDMA中景鼠,每個比特時間被細分成m個更短的時間間隔,這更短的時間間隔被稱為碼片痹扇,通常每個比特被分為64或128個铛漓。碼片序列是正交的,所以可以同時傳輸鲫构,廣泛用于3G網(wǎng)絡通信浓恶。
調(diào)制技術
調(diào)制機制使用信號來傳輸比特。
基帶傳輸:信號的傳輸占據(jù)傳輸介質(zhì)從零到最大值的所有頻率结笨。直接將數(shù)據(jù)比特轉(zhuǎn)化為信號包晰。
線路編碼(Line Codes):發(fā)送symbols(樣本、符號)炕吸,一個樣本可傳送一個或多個比特伐憾。如,不歸零(NRZ赫模,高電平1树肃,低電平0),不歸零逆轉(zhuǎn)(NRZI嘴瓤,在比特時間的中間做電壓的跳變表示1扫外,無跳變表示0),曼徹斯特(在比特時間中間廓脆,電壓從高跳變到低表示1筛谚,從低跳變到高表示0),雙極編碼(交替標記逆轉(zhuǎn)AMI停忿,兩極電壓的交替出現(xiàn)表示1驾讲,不出現(xiàn)表示0,實現(xiàn)了信號的平衡)席赂,4B/5B(4比特數(shù)據(jù)被映射為1個5比特模式)
通帶傳輸:通過調(diào)節(jié)信號的振幅吮铭、相位、頻率來傳輸比特颅停。信號占據(jù)了以載波信號為中心的一段頻帶谓晌。
將調(diào)制模式綜合使用,可獲得更多的信號模式癞揉≈饺猓可以用信號星座圖來表示某種調(diào)制方式中信號的呈現(xiàn)模式溺欧。
如QAM-16
QAM ——— 正交振幅調(diào)制
16 ——— 調(diào)制方式中有16種不同振幅和相位的信號組合模式
意味著一個符號可以傳輸4個比特
碼元:承載信息量的基本信號單位。
波特率(或碼率):一秒鐘能夠發(fā)送的碼元的個數(shù)柏肪,代表每秒鐘信號變化的次數(shù)姐刁,也可以叫做符號率,采樣率烦味。
比特率:也可叫做位傳輸率聂使、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)字帶寬谬俄。
比特率和波特率之間的關系:?? (C-比特率柏靶,B-波特率,n-信號呈現(xiàn)的個數(shù))凤瘦。
格子架編碼調(diào)制(TCM):為了降低高速調(diào)制的錯誤宿礁,在每個樣本中采用一些額外的位用作糾錯,剩下的位才用于傳輸數(shù)據(jù)蔬芥。
公共交換電話網(wǎng)絡PSTN
任務:傳遞人類的語音
計算機網(wǎng)絡的目標:傳輸數(shù)據(jù)
PSTN的主要構(gòu)成:
1.本地回路(Local loops):模擬線路梆靖,連接端局和千家萬戶或業(yè)務部門。傳輸?shù)氖悄M信號笔诵,通過調(diào)制解調(diào)器(Modem返吻,貓,用于將計算機產(chǎn)生的數(shù)字比特流轉(zhuǎn)變?yōu)檩d波輸出(模擬信號))轉(zhuǎn)化數(shù)字信號乎婿。
光纖到戶(FTTH):光進銅退测僵。
2.干線(Trunks):數(shù)字光纖,連接交換局谢翎。多路復用捍靠。編解碼器(codec,將模擬信號數(shù)字化或者反過來森逮,用到脈沖編碼調(diào)制PCM技術榨婆,一種將模擬信號數(shù)字化的技術,構(gòu)成了現(xiàn)代PSTN的核心)
3.交換局(Switching offices)(包括端局):語音接駁干線的場所褒侧。
PSTN的交換技術:
1.電路交換:傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)良风。建立一條端到端的通路,數(shù)據(jù)沿著通道按順序送達闷供,數(shù)據(jù)傳輸完成后烟央,拆除連接
2.包交換(分組交換):IP電話數(shù)據(jù)業(yè)務。允許包/分組存儲在交換局的內(nèi)存里歪脏,限制包/分組的大小疑俭,每一個包攜帶目的地址、信息(獨立尋徑)婿失,每個包可能亂序送達钞艇。
兩者比較:帶寬的分配形式不同(包交換的按需分配鬼贱,電路交換是提前分配),容錯能力的不同(分組交換更強香璃,因為分組交換是獨立尋徑,當交換設備癱瘓舟误,包可繞道而行葡秒,具有更好的容錯能力和抗毀性能),有無交換順序的不同(包交換是亂序到達嵌溢,電路交換是先發(fā)先到眯牧,接收方無需排序),收費方法不同(包交換按流量計費赖草,電路交換按時間計費)
物理層設備
被動(無源)部件/設備:插線板学少、插頭、電源秧骑、電纜版确。最重要的是RJ45的插座和水晶頭
主動(有源)部件/設備:
1.收發(fā)器(Transceiver,MAU):將一種形式的信號轉(zhuǎn)變成另一種信號乎折,早期是一個外設绒疗,現(xiàn)在是網(wǎng)卡上的部件,主要負責收發(fā)信號骂澄。
2.中繼器(Reapter):主要功能是再生信號(去噪吓蘑、放大),讓線纜可以延伸的更遠坟冲,突破UTP100米的傳輸限制磨镶。中繼器不能過濾(filter,是指設備以一定特征來屏蔽網(wǎng)絡流量健提,并根據(jù)標準確定將流量轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄)流量琳猫,
3.集線器(Hub):多端口的中繼器,主要功能是再生信號(去噪矩桂、放大)沸移,集線器上的多端口,允許很多設備連上來侄榴,作為星型拓撲的中心雹锣。不能過濾交通流量。廣播(泛洪癞蚕,從除了來的那個端口外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去)蕊爵。
沖突:信號的碰撞。當使用物理層設備時桦山,更多的用戶爭搶共享資源攒射,導致沖突醋旦。沖突的電氣表現(xiàn)為電壓異常、數(shù)據(jù)重傳会放。
沖突域:數(shù)據(jù)包產(chǎn)生和沖突的網(wǎng)絡區(qū)域饲齐,即共享介質(zhì)的區(qū)域。沖突域越大咧最,沖突發(fā)生的可能性越大捂人,網(wǎng)絡性能越低。