計算機網(wǎng)絡-物理層

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

????????????????????????????????? 最大傳輸速率=2Blog_{2} V(bps)

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:

????????????????????????????? 最大傳輸速率=Blog_{2} (1+\frac{S}{N} )(bps)
很多情況下翩伪,噪聲用分貝(db)表示

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 分貝值=10log_{10} \frac{S}{N} (db)

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\Omega ,用于數(shù)字傳輸(屏蔽層為銅)

寬帶同軸電纜:75\Omega 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=Blog_{2} n?? (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。

最后編輯于
?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末矢沿,一起剝皮案震驚了整個濱河市滥搭,隨后出現(xiàn)的幾起案子,更是在濱河造成了極大的恐慌捣鲸,老刑警劉巖瑟匆,帶你破解...
    沈念sama閱讀 223,002評論 6 519
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件,死亡現(xiàn)場離奇詭異栽惶,居然都是意外死亡愁溜,警方通過查閱死者的電腦和手機,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 95,357評論 3 400
  • 文/潘曉璐 我一進店門媒役,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來祝谚,“玉大人,你說我怎么就攤上這事酣衷〗还撸” “怎么了?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 169,787評論 0 365
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵穿仪,是天一觀的道長席爽。 經(jīng)常有香客問我,道長啊片,這世上最難降的妖魔是什么只锻? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 60,237評論 1 300
  • 正文 為了忘掉前任,我火速辦了婚禮紫谷,結(jié)果婚禮上齐饮,老公的妹妹穿的比我還像新娘。我一直安慰自己笤昨,他們只是感情好祖驱,可當我...
    茶點故事閱讀 69,237評論 6 398
  • 文/花漫 我一把揭開白布。 她就那樣靜靜地躺著瞒窒,像睡著了一般捺僻。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上,一...
    開封第一講書人閱讀 52,821評論 1 314
  • 那天匕坯,我揣著相機與錄音束昵,去河邊找鬼。 笑死葛峻,一個胖子當著我的面吹牛锹雏,可吹牛的內(nèi)容都是我干的。 我是一名探鬼主播术奖,決...
    沈念sama閱讀 41,236評論 3 424
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼逼侦,長吁一口氣:“原來是場噩夢啊……” “哼!你這毒婦竟也來了腰耙?” 一聲冷哼從身側(cè)響起,我...
    開封第一講書人閱讀 40,196評論 0 277
  • 序言:老撾萬榮一對情侶失蹤铲球,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎挺庞,沒想到半個月后,有當?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體稼病,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 46,716評論 1 320
  • 正文 獨居荒郊野嶺守林人離奇死亡选侨,尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點故事閱讀 38,794評論 3 343
  • 正文 我和宋清朗相戀三年,在試婚紗的時候發(fā)現(xiàn)自己被綠了然走。 大學時的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片援制。...
    茶點故事閱讀 40,928評論 1 353
  • 序言:一個原本活蹦亂跳的男人離奇死亡,死狀恐怖芍瑞,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出晨仑,到底是詐尸還是另有隱情,我是刑警寧澤拆檬,帶...
    沈念sama閱讀 36,583評論 5 351
  • 正文 年R本政府宣布洪己,位于F島的核電站,受9級特大地震影響竟贯,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏答捕。R本人自食惡果不足惜,卻給世界環(huán)境...
    茶點故事閱讀 42,264評論 3 336
  • 文/蒙蒙 一屑那、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望拱镐。 院中可真熱鬧,春花似錦持际、人聲如沸沃琅。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 32,755評論 0 25
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽阵难。三九已至,卻和暖如春芒填,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間呜叫,已是汗流浹背空繁。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 33,869評論 1 274
  • 我被黑心中介騙來泰國打工, 沒想到剛下飛機就差點兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留朱庆,地道東北人盛泡。 一個月前我還...
    沈念sama閱讀 49,378評論 3 379
  • 正文 我出身青樓,卻偏偏與公主長得像娱颊,于是被迫代替她去往敵國和親傲诵。 傳聞我的和親對象是個殘疾皇子,可洞房花燭夜當晚...
    茶點故事閱讀 45,937評論 2 361