本章知識結(jié)構(gòu)

文章目錄

• 一 通信基礎(chǔ)
• • 1.基本概念
  • 2.奈奎斯特定理與香農(nóng)定理
  • 3.編碼與調(diào)制
  • 4.電路交換、報文交換與分組交換
  • 5.數(shù)據(jù)報與虛電路
• 二 傳輸介質(zhì)
• • 1.雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質(zhì)
  • 2.物理層接口的特性
• 三 物理層設(shè)備
• • 1.中繼器
  • 2.集線器

物理層考慮的是怎樣才能在連接各臺計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)的比特流，而不是考慮連接計算機的具體物理設(shè)備或具體物理媒體。

一 通信基礎(chǔ)

1.基本概念

1.數(shù)據(jù)、信號與碼元
數(shù)據(jù)是指傳送信息的實體。

信號是指數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn)，是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的存在形式。

碼元是指用一個固定時長的波形(數(shù)字脈沖)表示一位k進制數(shù)字，代表不同離散數(shù)值的基本波形，這個時長內(nèi)的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。1碼元可以攜帶多個比特信息量。

碼元是什么？

一個碼元就是一個脈沖信號,波特率指的就是1秒能發(fā)送多少個碼元，也就是1秒能發(fā)送多少個脈沖信號.
思考：

數(shù)據(jù)通信中，為什么說碼元取4個離散值,則一個碼元攜帶2bit信息？

解答：碼元取4個離散值，說明一個碼元是用一個4進制代碼表示的，一個四進制代碼的信息量是2bit。（1個M進制數(shù)所帶信息量是$lo{g}_{2}M$這么多比特,這涉及信息量的概念，一般是在等概率的情況下進行計算 ）

2信源、信道與信宿
數(shù)據(jù)通信指的是數(shù)字計算機或其他數(shù)字終端之間的通信。一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要劃分為信源、信道與信宿。

信道與電路并不相同，信道是信號的傳輸媒介。一個信道可視為一條線路的邏輯部件，一般用來表示向某個方向傳送信息的介質(zhì)，因此一條通信線路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

信道上傳送的信號有基帶信號和寬帶信號之分。基帶信號將數(shù)字信號0和1直接用兩種不同的電壓表示，然后送到數(shù)字信道上傳輸（稱為基帶傳輸）；寬帶信號將基帶信號進行調(diào)制后形成頻分復用模擬信號，然后傳送到模擬信道上傳輸（稱為寬帶傳輸）。

從通信雙方信息的交互方式來看，通信可分為三種基本方式

名稱含義

單工通信	只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。廣播就是單工通信
半雙工通信	通信的雙方都可以發(fā)送或接收信息，但任何一方都不能同時發(fā)送和接收信息，此時需要兩條信道。
全雙工通信	通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，也需要兩條信道。

3.速率、波特與帶寬
速率也稱數(shù)據(jù)率，指的是數(shù)據(jù)的傳輸速率，它表示單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

1）碼元速率，也稱波形速率，調(diào)制速率，它表示單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)拇a元個數(shù)（也可稱為脈沖個數(shù)或信號變化的次數(shù)），單位是波特(Baud)。1波特表示數(shù)字通信系統(tǒng)每秒傳輸一個碼元。這里的碼元可以是二進制的，也可以是多進制的。但是碼元速率與進制數(shù)無關(guān)。

2）信息速率，也稱比特率，它表示單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)亩M制碼元個數(shù)（即比特數(shù)），單位是波特/s。

帶寬原指信號具有的頻帶寬度，單位是赫茲。在實際網(wǎng)絡(luò)中，由于數(shù)據(jù)率是信道最重要的指標之一，而帶寬與數(shù)據(jù)率存在數(shù)值上的互換關(guān)系，因此常用來表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路所能傳輸數(shù)據(jù)的能力。因此，帶寬表示單位時間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點到另一點所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”，此時單位是b/s。

2.奈奎斯特定理與香農(nóng)定理

1.奈奎斯特定理
奈奎斯特定理又稱奈氏準則，它指出在理想低通（沒有噪聲、帶寬有限）的信道中，極限碼元速率為2W波特，其中W是理想低通信道的帶寬，單位是Hz。若用V表示每個碼元離散電平的數(shù)目（碼元的離散電平數(shù)目是指有多少種不同的碼元），則極限數(shù)據(jù)率為
$$理想低通信道下的極限數(shù)據(jù)傳輸率=2Wlo{g}_{2}V(b/s)$$

比如有16種不同的碼元，即V=16，需要$lo{g}_{2}16=4$位二進制位，因此數(shù)據(jù)傳輸率是碼元傳輸率的4倍。

奈氏準則得出以下結(jié)論

奈奎斯特定理

1）在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的，若超過此上限會出現(xiàn)碼間串擾問題

2）信道的頻帶越寬（即通過的信號高頻分量越多），就可用更高的速率進行碼元的有效傳輸。

3）未對信息傳輸速率給出限制

由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，就必須設(shè)法使每個碼元攜帶更多個比特的信息量，此時就需要采用多元制的調(diào)制方法。
2.香農(nóng)定理
香農(nóng)定理給出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率，當用此速率進行傳輸時，可以做到不產(chǎn)生誤差。香農(nóng)定理的定義為
$$信道的極限傳輸數(shù)據(jù)率=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})(b/s)$$
式中，W為信道的帶寬，S為信道所傳輸信號的平均功率，N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。S/N為信噪比，即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比。

對于香農(nóng)定理，可以得出以下結(jié)論：

香農(nóng)定理

1）信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高

2）對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限是確定的

3）只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就能找到某種方法來實現(xiàn)無差錯傳輸

4）香農(nóng)定理得出的是極限信息速率，實際上信道能達到的傳輸速率要比它低不少

3.編碼與調(diào)制

數(shù)據(jù)無論是數(shù)字的還是模擬的，為了傳輸?shù)哪康亩急仨氜D(zhuǎn)變成信號。把數(shù)據(jù)變換為模擬信號的過程稱為調(diào)制，把數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號的過程稱為編碼。
分為四種情況
1.數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

2.數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號
數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)在發(fā)送端將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數(shù)字信號，分別對應(yīng)于調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)過程。

3.模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號

4.模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號

4.電路交換、報文交換與分組交換

1.電路交換
在進行數(shù)據(jù)傳輸前，兩個結(jié)點之間必須先建立一條專用（雙方獨占）的物理通信路徑，該路徑可能經(jīng)過許多中間結(jié)點。這一路徑在整個數(shù)據(jù)傳輸期間一直被獨占，直到通信結(jié)束后才被釋放。因此電路交換包括三個階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。

2.報文交換
數(shù)據(jù)交換的單位是報文，報文攜帶有目標地址、源地址等信息。報文交換在交換結(jié)點采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式。報文交換主要使用在早期的電報通信網(wǎng)中，現(xiàn)在較少使用，通常倍較先進的分組交換方式代替。

3.分組交換
分組交換和報文交換一樣，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，但是解決了報文交換中大報文傳輸?shù)膯栴}。分組交換限制了每次傳送數(shù)據(jù)塊大小的上限，把大的數(shù)據(jù)塊劃分為合理的小數(shù)據(jù)塊，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和編號信息等）構(gòu)成分組（packet）。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點根據(jù)控制信息把分組送到下一結(jié)點，下一結(jié)點接收到分組后，暫時保存并排隊等待傳輸，然后根據(jù)分組控制信息選擇它的下一個結(jié)點，直到到達目的結(jié)點。

5.數(shù)據(jù)報與虛電路

分組交換根據(jù)其通信子網(wǎng)向端點系統(tǒng)提供的服務(wù)，可以進一步分為面向連接的虛電路方式和無連接的數(shù)據(jù)報方式。這兩種服務(wù)方式都是由網(wǎng)絡(luò)層提供的。要注意的是：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式是分組交換的兩種方式。

1.數(shù)據(jù)報
端系統(tǒng)發(fā)送一個報文時，在端系統(tǒng)中實現(xiàn)的高層協(xié)議先把報文拆成若干帶有序號的數(shù)據(jù)單元，并在網(wǎng)絡(luò)層加上地址等控制信息后形成數(shù)據(jù)報分組（也就是網(wǎng)絡(luò)層PDU）。中間結(jié)點存儲分組很短一段時間，找到最佳路由后，盡快轉(zhuǎn)發(fā)每個分組。不同的分組可走不同的路徑，也可以按照不同的順序到達目的結(jié)點。

數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點

2虛電路
在分組發(fā)送之前，要求雙發(fā)建立一條邏輯上相連的虛電路，并且一旦建立，就固定了虛電路所對應(yīng)的物理路徑。整個通信過程分為三個階段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸與虛電路釋放。在虛電路方式中，端系統(tǒng)每次建立虛電路時，選擇一個未用過的虛電路號分配給該虛電路，以區(qū)別于本系統(tǒng)中其他虛電路。

虛電路方式的特點

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)的比較

數(shù)據(jù)報服務(wù)虛電路服務(wù)

連接的建立	不需要	必須有
目的地址	每個分組都有完整的目的地址	僅在建立連接階段使用，之后每個分組使用長度較短的虛電路號
路由選擇	每個分組獨立地進行路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)	屬于同一條虛電路的分組按照同一路由轉(zhuǎn)發(fā)
分組順序	不保證分組的有序到達	保證分組的有序到達
可靠性	不保證可靠通信，可靠性由用戶主機來保證	可靠性由網(wǎng)絡(luò)保證
對網(wǎng)絡(luò)故障的適應(yīng)性	出故障的結(jié)點丟失分組，其他分組路徑選擇發(fā)生變化時可以正常傳輸	所有經(jīng)過故障結(jié)點的虛電路均不能正常工作
差錯處理和流量控制	由用戶主機進行流量控制，不保證數(shù)據(jù)報的可靠性	可由分組交換網(wǎng)負責，也可由用戶主機負責

二 傳輸介質(zhì)

1.雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)也稱為傳輸媒體，它是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的物理通路。
1.雙絞線
2.同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)導體、絕緣層、網(wǎng)狀編織屏蔽層和塑料外層構(gòu)成。同軸電纜通常分為兩類：50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜，其中50Ω主要用于傳送基帶數(shù)字信號，又稱為基帶同軸電纜，在局域網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。75Ω主要用于傳送寬帶信號，又稱為寬帶同軸電纜，主要用于有線電視系統(tǒng)。

由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有良好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)，其傳輸距離更遠，但是價格較雙絞線貴。

3.光纖
光纖通信原理是光的全反射。
多模光纖：從不同角度入射的多束光線可在一條光纖中傳輸，這種光纖稱為多模光纖，多模光纖的光源為發(fā)光二極管。多模光纖只適用于近距離傳輸。

單模光纖：光纖的直徑減小到僅有一個光波長度時，光纖就像一根波導一樣，可使光線沿直線傳播，不會產(chǎn)生多次反射，這樣的光纖稱為單模光纖。單模光纖的光源采用定向性好的激光，適合遠距離傳輸。

4.無線通信介質(zhì)

2.物理層接口的特性

物理層考慮的是如何在連接到各臺計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不指具體的傳輸媒體。物理層應(yīng)盡可能屏蔽各種物理設(shè)備的差異，使數(shù)據(jù)鏈路層只需考慮本層的協(xié)議和服務(wù)。物理層的主要任務(wù)可以描述為確定與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性：

特性描述

1）機械特性	主要定義物理連接的邊界點，即接插裝置。規(guī)定物理連接時所采用的規(guī)格、引線的數(shù)目、引腳的數(shù)量和排列情況等
2）電氣特性	規(guī)定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等
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，接口部件的信號線的用途
4）規(guī)程特性	主要定義各條物理線路的工作規(guī)程和時序關(guān)系

常用的物理層接口標準有

物理層接口標準

EIA RS-232-C

ADSL

SONET/SDH

三 物理層設(shè)備

1.中繼器

中繼器又稱轉(zhuǎn)發(fā)器，主要功能時將信號整形并放大，以消除信號經(jīng)過一長段電纜后，因噪聲或其他原因造成的失真和衰減，使信號的波形和強度達到所需要的要求，進而擴大網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x。其原理使信號再生（而不是簡單地將信號放大）。

中繼器有兩個端口，數(shù)據(jù)從一個端口輸入，再從另一個端口發(fā)出。端口僅作用于信號的電氣部分(比如電壓高低)，而不管數(shù)據(jù)中是否有錯誤數(shù)據(jù)或不適用于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。

中繼器使局域網(wǎng)環(huán)境下用來擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的最簡單的、最廉價的互聯(lián)設(shè)備。使用中繼器連接的幾個網(wǎng)段仍然是一個局域網(wǎng)。但是由于中繼器工作在物理層，因此它不能連接兩個具有不同速率的局域網(wǎng)，中繼器兩端的網(wǎng)絡(luò)部分是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)。

“5-4-3規(guī)則”：在采用粗同軸電纜的10BASE5 以太網(wǎng)規(guī)范中，互相串聯(lián)的中繼器的個數(shù)不能超過4個，而且用4個中繼器串聯(lián)的5段通信介質(zhì)中只有3段可以掛接計算機，其余兩端只能用作擴展通信范圍的鏈路段，不能直接掛接計算機。簡記為：3段掛接計算機-4個中繼器-5段通信介質(zhì)

2.集線器

集線器（Hub）實質(zhì)上是一個多端口的中繼器，它也工作在物理層。當集線器工作時，一個端口接收到數(shù)據(jù)信號好，由于信號在從端口到集線器的傳輸過程中已有衰減，所以集線器便將該信號進行整形放大，使之再生到發(fā)送時的狀態(tài)，緊接著轉(zhuǎn)發(fā)到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態(tài)的端口。

參考資料
計算機網(wǎng)絡(luò)考研復習指導-王道

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第二章-物理层的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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