【计算机网络】第二章：物理层

本文主要是介绍【计算机网络】第二章：物理层，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第二章：物理层

0：绪论

OSI协议（7层）

• 应用层

• 表示层

• 会话层

• 运输层

• 网络层

• 数据链路层

• 物理层

TCP/IP协议（4层）

• 应用层

• 运输层

• 网际层

• 网络接口层

教材串讲的体系结构（5层）

• 应用层

• 运输层

• 网络层

• 数据链路层

• 物理层

1：物理层的基本概念

物理层：如何在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流

作用：屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异

规程（procedure）：靠近物理层的协议

协议（protocol）：靠近软件层的协议

物理层的主要任务

任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

4个特性：

• 机械特性（接线器形状尺寸）

• 电气特性（电线上的电压范围）

• 功能特性（电平电压的意义）

• 过程特性（对不同功能的可能事件的出现顺序）

2：数据通信的基础知识

2.1：数据通信系统的模型

三大部分：

• 源系统（发送端、发送方）

• 传输系统（传输网络）

• 目的系统（接收端、接收方）

常用术语：

• 消息（message）：Image、Video、Audio、Text

• 数据（data）：运送消息的实体

• 信号（signal）：数据的电气或电磁表现模拟信号——连续数字信号——离散

• 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

2.2：信道相关的基本概念

【1】信道：向某个方向传送信息的媒体

【2】单向通信（单工通信）

只能有一个方向的通信，例如：广播

【3】双向交替通信（半双工通信）

双方都可发送信息，但不能同时发送和接收，例如：对讲机

【4】双向同时通信（全双工）

双方可以同时发送和接受信息，通常是2个单工通信组合而成

【5】基带信号

基本频带信号

来自信源的信号，包含较多低频成分

【6】调制

基带调制：变换基带信号的波形，把数字信号转换为另一种形式的数字信号，即编码（coding）

带通调制：使用载波调制，把基带信号频率调高，并转换为模拟信号，转换后的信号是带通信号（仅在一段频率范围内可通过信道）

常用编码方式

• 不归零制：电平，正1负0

• 归零制：脉冲，正1负0

• 曼切斯特编码：位周期中心跳动，上0下1

• 差分曼切斯特编码：位开始边界，有跳变0，无跳变1

信号频率：曼切斯特编码和差分曼切斯特编码 > 不归零制

自同步能力：曼切斯特编码和差分曼切斯特编码具备，不归零制不具备（不能从波形本身提取信号时钟频率）

基本的带通调制方法

• 调幅（AM）：振幅变化

• 调频（FM）：频率变化

• 调相（PM）：初始相位变化

正交振幅调制（QAM）

振幅、相位混合调制

信息传输速率更快

2.3：信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素

【1】信道可通过的频率范围

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限（波形失去码元界限）

奈氏准则：码元传输的最高速率 = 2W 码元/秒

【2】信噪比

定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比

单位：分贝dB

信噪比

香农公式：信道的极限信息传输速率

W：信道的带宽，Hz

S：信号平均功率

N：高斯噪声功率

单位：bit/s

提高信息传输速率的方法：用编码方法，让每个码元携带的信息量更大

奈氏准则和香农公式的不同：前者激励编码技术，后者告诫速率的绝对极限

3：物理层下面的传输媒体

传输媒体：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

3.1：导引型传输媒体

定义：电磁波被导引沿着固体媒体传播

双绞线

2根绝缘铜导线绞合

绞合度越高，数据传输率越高

【1】无屏蔽双绞线UTP：无屏蔽层、价格便宜

【2】屏蔽双绞线STP：带屏蔽层、必须有接地线

常用绞合线

【1】3类，电话使用

【2】5类，传输速率100M bit/s

【3】5E（超5）类，传输速率1G bit/s

【4】6类，传输速率10G bit/s

双绞线的衰减，随频率的升高而增大

同轴电缆

绝缘保护套层 + 外导体屏蔽层 + 绝缘层 + 内导体

抗干扰性好

光缆/光纤

发送端——要有光源

接收端——要有光检测器

原理：全反射

组成：包层（低折射率） + 纤芯（高折射率）

多模光纤：存在多条光线在一条光纤中传输

单模光纤：不会产生多次反射，光线一直向前传播

使用的光波波段：850nm、1300nm、1550nm

3.2：非导引型传输媒体

定义：自由空间，无线传输

无线电微波通信

在空间中主要直线传播

多径效应：基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方

误码率，不能大于可容许的范围

远距离微波通信：微波接力

卫星通信

低轨道

卫星信道的传播时延较大

无线局域网使用的ISM频段

无线局域网：使用无线信道的计算机局域网

ISM频段可自由使用

4：信道复用技术

4.1：频分复用、时分复用、统计时分复用

复用：允许用户使用一个共享信道进行通信

频分复用FDM

将整个带宽分成n个频带，用户被分配频带后，将自始至终占用该频带

所有用户在同样的时间占用不同带宽（频带）资源

时分复用TDM

将时间划分为多个等长的时分复用帧（TDM帧）

每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，该时隙周期性出现，周期是TDM帧的长度

所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用会导致信道利用率不高——当用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态

频分多址和时分多址

频分多址（FDMA）：N个用户各使用一个频带，或让更多用户轮流使用N个频带

时分多址（TDMA）：N个用户各使用一个时隙，或让更多用户轮流使用N个时隙

复用器和分用器

复用器和分用器，成对使用，通过共享信道连接

统计时分复用STDM

STDM 帧通过集中器，按需动态地分配时隙

作用：提高线路的利用率

4.2：波分复用

波分复用WDM：使用一根光纤来同时传输多个光载波信号（光的分频复用）

4.3：码元复用

码元复用CDM：每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信

码分多址 CDMA：CDM信道为多个不同地址的用户所共享

CDMA工作原理

码片（chip）：把每个比特时间，划分为m个短间隔

为每个站指派一个唯一的m bit码片序列

• 发送bit 1：发送码片序列

• 发送bit 0：发送码片序列的反码

码片序列实现了扩频：要发送的数据率为b bit/s，实际发送的数据率为mb bit/s，占用频带宽度提高了m倍

扩频方法

• 直接序列扩频DSSS

• 调频扩频FHSS

CDMA特点

【1】每个站分配的码片序列不同，且必须互相正交正交：规格化内积 = 0

【2】任何一个码片向量和自己的规格化内积 = 1

【3】一个码片向量和其反码的向量的规格化内积 = -1

5：数字传输系统（skip）

6：宽带接入技术

6.1：ADSL技术

非对称数字用户线 ADSL：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造

ADSL 的 ITU 的标准：G.992.1（或称 G.dmt）

非对称：下行带宽 >> 上行带宽

最大好处：可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。

ADSL 调制解调器

离散多音调 DMT技术

DMT采用频分复用FDM

ADSL不能保证固定的数据率

ADSL组成

• 数字用户线接入复用器DSLAM

• 用户线

• 用户家中的设施

第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）

6.2：光纤同轴混合网（HFC）

HFC网基于有线电视网CATV网

改造：把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤

HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带

机顶盒与电缆调制解调器

6.3：FTTx技术

代表多种宽带光纤接入方式

FTTx表示Fiber To The…（光纤到…）

光配线网 ODN

位于光纤干线和广大用户之间

无源光网络 PON：无源的光配线网，分为以太网无源光网络 EPON和吉比特无源光网络 GPON

采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长

这篇关于【计算机网络】第二章：物理层的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

---