【计网】二、物理层

考虑如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流数据链路层是物理层屏蔽各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不需要考虑网络的具体传输媒体是什么

数据通信流程的例子：

传递信号的方式是触摸实物

各层电缆均为同轴，因此称为同轴电缆

基带同轴电缆(50 Ω \Omega Ω)：数字传输过去用于局域网宽带同轴电缆(75 Ω \Omega Ω)：模拟传输主要用于有线电视

同轴电缆价格昂贵，布线不灵活方便，随着集线器的出现，双绞线基本上被用作局域网领域的传输媒体

将两根绝缘铜线并排放在一起，然后按照一定的规则绞合，形成双绞线，这是一种古老而常用的传输媒体

常用绞合线类别、带宽和典型应用

无屏蔽双绞线UTP电缆

• 蓝线和蓝白线绞合
• 橙线与橙白线绞合
• 绿线和绿白线绞合
• 棕线和棕白线绞合

作用：①抵抗部分来自外部电磁波干扰 ②减少相邻导线的电磁干扰

屏蔽双绞线STP电缆，其与UTP与金属丝编织屏蔽层相比，提高了抗电磁干扰能力

光纤很细，所以必须做成坚固的光缆。光缆少到一根光纤，多到几百根

如果总是进行全反射，光会沿着光纤传输。

事实上，只要入射角大于一个临界角度，就可以发生全反射，因此多个不同角度的光可以在光线中一起传输，称为光纤多模光纤

• 多模光纤：50微米，62.5微米
• 单模光纤：9微米
• 纤芯外包层：125微米

• 0.85微米(衰减较大)
• 1.30微米(衰减小)
• 1.55微米(衰减小)

• 通信容量大(25000~30000GHz的带宽)
• 传输损耗小，远距离传输更经济
• 抗雷电和抗电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰环境中尤为重要
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
• 体积小，重量轻

• 割接需要专用设备
• 光电接口价格较贵

传输信号的东西摸不到

地面波波传播低频和中频频段；电离层高频和甚高频(地球上方)100~500带电离子层高空公里)反射

微波穿透电离层进入宇宙，因此不能通过电离层反射到很远的地方

微波是直线传播是的，地球表面是曲面，所以传播距离有限，一般只有50KM左右；如果使用100米高的天线塔可以扩大传播距离100公里。为实现远程通信，必须在微波通信通道的两个终端之间建立几个中继站，中继站放大前一段时间发送的信号，然后发送到下一站

在地球站之间，利用位于约36000KM高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力，其最大特点是通信距离远，传播时延大(约250~300ms)。低轨道卫星通信系统也已经正在部署

• 点对点无线传输
• 直线传播，中间不能有障碍物，传输距离短
• 传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)

即光源作为信号源，前景好，暂时未被大范围应用

LIFI也

串行传输是指数据是1个比特1个比特依次发送的，发送端与接收端之间只用1条数据传输线即可并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特，在发送端和接收端之间要有n条传输线路

在计算机网络中，数据在传输线路上的传输时串行传输；而计算机内部(如CPU和内存)多使用并行传输

数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻(有区分0,1的标志)进行检测，以判别接收到的是比特0还是1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号的判别错位。因此需要采取方法使双方的时钟保持同步

• **外同步：**在收发双方之间加一条单独的时钟信号线
• **内同步：**发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(如曼彻斯特编码)

以字节为独立的传输单位，字节间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步，为此通常传送前要在每个字节前后加上起始位和结束位。

• 异步是指字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)
• 字节中的每个比特仍然要同步(各比特的持续时间是相同的)

• 单工通信：通信双方只有一个数据传输方向(无线电广播)
• 半双工通信：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行(对讲机)
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收消息(电话)

单工需要一条信道；其他的需要两条(一个方向一条)

正电平代表比特1，负电平代表比特0。在整个码元时间内，电平不会出现零电平

这种编码方式如何区分连续几个相同电平呢？

这要求发送方发送和接收方接收严格同步，这就需要额外一根传输线来传输时钟信号。接收方按照时钟节拍逐个接收码元。但是对于计算机网络，多的线不如拿来传输数据，因此由于存在同步问题，计算机中的数据传输不使用不归零编码

每个码元传输结束后信号都要"归零"，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用"归零"方式编码在了数据之内，这称为"自同步"信号

归零编码中的大部分数据带宽都用来传输"归零"而浪费掉了(编码效率低)

码元的中间时刻既表示时钟，又表示数据。根据正负跳变来区分比特

具体如何根据跳变实现同步？

第一次数据跳变的时间记录下来【即半个码元的时间】，此后每过一个码元的时间就进行检测，根据跳变方向决定数据为0还是1。

①跳变仅表示时钟 ②码元开始处电平是否发生变化表示数据。比曼彻斯特变化少，更适合较高的传输速率

如上一个码元对应一个比特，如何能让1个码元包含多个比特呢？

可以使用混合调制。正弦信号 A sin ⁡ ω ( x + φ ω ) A\sin \omega(x+\dfrac{\varphi}{\omega}) Asinω(x+ωφ​)，相位和频率是相关的，因此二者不可同时做修改通常情况下，相位和振幅可以结合起来其一调制，称为正交振幅调制QAM

QAM-16

• 12种相位
• 每种相位有1或2种振幅可选
• 可以调制出16种码元(波形)，即16个形状可以用4个二进制位排列组合表示，所以一个码元可以对应4比特
• 码元与4个比特的对应关系要采用格雷码【任意两个相邻码元只有一位不同】

通信质量较差的信道在传输信号的过程中会发生严重失真(无法识别原信号)【码间串扰】

失真因素

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

• 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制【更好的调制方法】和努力提高信道中的信噪比
• 自从香农公式发布后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限

注释：5-4-3规则是为了限制中继器使用次数的，理由可见图 5是指不能超过5个网段 4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个 3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机

集线器是个大的冲突域，同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号，没有智能。

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