计网复习02-物理层

这里的物理层指的是原理体系结构的物理层,对应OSI七层模型的物理层,在TCP/IP四层模型中无对应。它为数据链路层提供服务,为数据传输提供可靠环境。

基本概念

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物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。

物理层的协议是非常多的,因为这一层是一些硬件设备,不同的硬件设备、不同的品牌之间可能存在着不同的协议。

物理层的主要任务就是确定与传输媒体接口有关的一些特性:

  • 机械特性:定义物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
  • 电气特性:规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
  • 工程特性:指明某条线上出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线的用途。
  • 规程特性(过程特性):定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信的基础知识

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数据通信系统模型

在传统的电话线(ASDL)上网中,数据需要进行调制解调,数据通信系统模型:

  • 源系统
    • 源点(信源):产生要传输的数据
    • 发送器:调制传输的数据从数字信号转换为模拟信号
  • 传输系统:传送模拟信号
  • 目的系统
    • 接收器:接收模拟信号,并解调为数字信号
    • 终点(信宿):从接收器获取比特流

基带信号与宽带信号

基带信号:将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上去传输(基带传输)。来自信源的信号,像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号,比如我们说话的声波就是基带信号。

宽带信号:将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

调制

基带调制:(信息->数字信号)

  • 不归零制:高1低0,编码容易实现,但没有检错功能,且无法判断一个码元的开始和结束,以至于收发双方难以保持同步。
  • 归零制:信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
  • 曼彻斯特编码:信号周期内会发生跳变,向上跳为0,向下跳为1。也可以采用相反的规定。
  • 差分曼彻斯特编码:首先位中心必跳变,如果该位的前半段(和上一个位的后半段)相反,则为0,相同则为1。

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带通调制:(数字信号->模拟信号)

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分别对应调幅、调频、调相。

正交振幅调制QAM:调幅+调相。

相关概念

信道

信道: 信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种通信方式

  1. 单工通信(单向通信)只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道。
  2. 半双工通信(双向交替通信)通信的双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收,需要两条信道。
  3. 全双工通信(双向同时通信):通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道。

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位,这个时长内的信号称为k进制码元,而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2),此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如,在使用二进制编码时,只有两种不同的码元,一种代表0状态,另一种代表1状态。

两种速率表示方式

速率也叫数据率,是指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

码元传输速率: 别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数),单位是波特(Baud) 。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的,也可以是二进制的,但码元速率与进制数无关。

信息传输速率: 别名信息速率、比特率等,表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(b/s) 。

对于二进制码元,波特和比特/秒的含义是一样的,因为二进制码元携带的比特量就是1比特

失真

信号在传输过程中,由于实际信道有噪声、干扰、带宽的限制,导致接收端接收的信号和发送端发送的信号不一致,这就是失真现象。所谓失真就是失去了真实性。

影响失真程度的因素:码元传输速率、信号的传输距离、噪声干扰、传输媒体的质量。

码元传输速率越大、信号传输距离越远、噪声干扰越大、或传输媒体质量越差,波形失真越严重。

码间串扰

具体的信道所能通过的频率范围是有限的。对于信号带宽小的信号,由于实际信道的干扰等,会使信号衰减导致失真严重。而对于信号带宽过大的信号,如果信号中的高频分量在传输过程受到衰减,那么在接收端收到的波形前沿和后沿变得不那么陡峭了,每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的。这样,在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间清晰的界限(可以类比一排密集的点快速的移动,点与点之间的界限就会变得很模糊,就很难分辨有多少个点了,如果点分布的疏,移动慢速,就可以很清晰的分辨每一个点)。

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奈氏准则

奈氏准则:在理想低通(无噪声、带宽受限)条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud,W是信道带宽,单位是HZ。

通过奈氏准则可知,如果信道的频带越宽,能够通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高速率传送码元而不出现码间串扰。由于码元的传输速率受奈氏准则的制约,所以要提高数据的传输速率,就必须设法使每个码元能携带更多的个比特量的信息,这就需要多元制的调制方法。

信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比,常记于S/N,并用分贝(dB)作为度量单位。即

信噪比(dB) = 10 lg(S/N) (dB)

香农公式

在带宽受限且有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输率有上限值。

信道的极限数据传输速率 = W log2(1+S/N) (b/s)

总结:
1. 信道的带宽越大或信道的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。
2. 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。
3. 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传输。
4. 香农定理得出的是极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比它低很多。

传输媒体

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信道复用技术

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数字传输系统

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宽带接入技术

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物理层常见设备

中继器

诞生原因: 由于存在损耗,在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真,因此会导致接收错误。

中继器的功能: 对信号进行再生和还原,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同,以增加信号传输的距离,延长网络的长度。

中继器的两端: 两端的网络部分是网段,而不是子网,适用于完全相同的两类网络的互连,且两个网段速率要相同。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上,它仅作用于信号的电气部分,并不管数据中是
否有错误数据或不适于网段的数据。两端可连相同媒体,也可连不同媒体。但是两端的网段一定要是同一个协议。

集线器

集线器是一种多口中继器。它也可以对信号进行再生和还原,对衰减的信号进行放大。接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上,以增加信号传输的距离,延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力,是一个共享式设备。

集线器不隔离冲突域,同一集线器下的主机属于同一个冲突域,所以通过集线器互联的局域网内的主机数到达一定数量之后通信效率会急剧降低。

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