物理层
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- 1.物理层的基本概念
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- 1.1物理层主要目的
- 1.2物理层主要任务
- 2.数据通信的基础知识
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- 2.1典型的数据通信模型
- 2.2数据通信相关术语
- 2.3三种通信方式
- 2.4两种数据传输方式
- 2.5速率
- 2.6带宽
- 2.7失真
- 2.8基带信号和宽带信号
- 2.9奈氏准则
- 2.10香农公式
- 2.11奈氏和香农的区别
- 2.12频带传输与带通调制
- 3.物理层下面的传输媒体
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- 3.1传输介质及分类
- 3.2导向性传输介质
- 3.3非导向性传输介质
- 4.数字传输系统
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- 4.1脉冲编码调制方法
- 4.2数字数据编码方法
- 5.总结一下物理层设备
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1.物理层的基本概念
1.1物理层主要目的
物理层主要目的→解决如何连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
注意: 物理层不是指具体的传输媒体
1.2物理层主要任务
物理层主要任务→确定与传输媒体的接口有关的一些特征→定义标准
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a.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
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b.电气特性:
规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围,抗阻匹配,传输速率和距离限制等
eg:某网络在物理层规定,信号的电平用+10V—+15V表示二进制0,用-10V— -15V表示二进制1,电线长度限于15m以内
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c.功能特性:
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
eg:描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义
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d.过程特性:
定义各条物理线路的工作规程和时序关系
2.数据通信的基础知识
2.1典型的数据通信模型
①.源系统→包括信源和发送器;
②.传输系统→可能是简单的传输线也可能是复杂的网络系统;
③.目的系统→接收器和信宿;
2.2数据通信相关术语
- 数据:传送信息的实体,通常是有意义的符号序列
- 信号:数据的电气/电磁的表现,是数据在传输过程中的存在形式
- 数字信号:代表消息的参数取值是离散的
- 模拟信号:代表消息的参数取值是连续的
- 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
eg:k进制码元–4进制码元–码元的离散状态有4个–4种高低不同的信号波形 00 01 10 11
- 信源:产生和发送数据的源头
- 信宿:接收数据的终点
- 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受信道
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信道分为两类:
传输信号→模拟信道(传送模拟信号) 数字信道(传送数字信号)
传输介质→无线信道 有线信道
2.3三种通信方式
- 单工通信:只能有一个方向的通信而没有反方向的交互,如无线电广播。
- 半双工通信:通信的双方都可以发送或接受信息,但任何一方都不能同时发送和接受,需要两条信道
- 全双工通信:通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道
2.4两种数据传输方式
- 串行传输:速度慢,费用低,远距离
- 并行传输:速度快,费用高,适合近距离,用于计算机内部数据传输
2.5速率
- 数据率: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 信息传递速率 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,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,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(1s传输多少个码元)
- 信息传递速率:别名信息速率,比特率,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)(1s传输多少个比特)
关系:若一个码元携带n bit的信息量,则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s
2.6带宽
- 表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”,常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s
2.7失真
(考研会考的一种现象)
2.8基带信号和宽带信号
2.9奈氏准则
2.10香农公式
2.11奈氏和香农的区别
2.12频带传输与带通调制
- 频带传输:将基带信号调制成模拟信号后传输。
- 注意:基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。
- 调制分大类,一类是仅仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应,变换后的信号任然是基带信号,这类调制称之为“基带调制”;另一类是需要使用载波进行调制,即把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输,这类调制称之为“带通调制”。
- 基本的带通调制方法
3.物理层下面的传输媒体
3.1传输介质及分类
- 传输介质也称传输媒体/传输媒介,它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
PS:传输媒体并不是物理层
- 传输媒体在物理层的下面,因为物理层时体系结构的第一层,因此有时称传输媒体为第0层,在传输媒体中传输的是信号,但传输媒体并不知道所传输的信号代表是什么,但物理层规定了电气特性,所以能识别比特流
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传输介质分为
①导向性传输介质:电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播
②非导向性传输介质:自由空间,介质可以是空气,真空,海水等
3.2导向性传输介质
- ①双绞线
- ②同轴电缆
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③光纤
光纤即光导纤维,不受外界电磁干扰,直径8-100微米
多模光纤:直径相对较大,可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的光纤
单模光纤:光纤直径小到光的波长时,光线就一直向前传播而不发生多次反射的光纤(传播的距离比多模光纤远)
光纤工作原理:
3.3非导向性传输介质
①无线电传输:收音机
②微波传输:主要是靠电离层的反射,但短波信道的通信质量较差
③红外线:遥控器
④光波
4.数字传输系统
4.1脉冲编码调制方法
- 数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高,因此在网络中除计算机直接产生的数字外,语音、图像等信息的模拟数据进行数字化已成为发展的必然趋势。
- 脉冲编码调制又叫PCM是模拟数据数字化的主要方法。由于历史上的原因,PCM 有两个互不兼容的国际标准,即北美的 24 路 PCM(简称为 T1)和欧洲的 30 路 PCM(简称为 E1)。我国采用的是欧洲的 E1 标准。E1 的速率是 2.048 Mb/s,而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
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脉码调制包含三个部分内容:
①采样: 采样定理:如果以大于或等于信道带宽2倍的速率定时对信号进行采样。其样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息
②量化: 将信号分为若干量化级。量化成多少级,根据精度要求。级数应为2的n次方
③编码: 若有K个量化级,则需要log2 K位二进制编码
4.2数字数据编码方法
主要有以下几种
- 非归零码:(波特率=数据率)规则:用低电平表示“0”、用高电平表示“1”、需要另一信道传输同步信号,以保证收发双方同步,否则无法判断一位开始与结束
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曼彻斯特编码:(波特率=2*数据率)规则:每比特的周期T分为前T/2和后T/2,前T/2传送该比特反码,后T/2周期传送该比特原码(即:位中间正跳变表示0,位中间负跳变表示1)
特点:无需另发同步信号、效率低,若信号传输速率为10MBPS,则发送频率应为20MHZ
- 差分曼彻斯特编码:(波特率=2*数据率)对曼彻斯特编码的改进。比特中间跳变仅做同步用,每比特值根据其开始边界是否跳变来决定,有跳变表示“0”, 无跳变表示“1”
- 示例:
5.总结一下物理层设备
- 物理层设备分为中继器和集线器
- 中继器:
5-4-3规则:为了限制中继器使用次数
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: 如有问题请指出 码字不易 还请各位看官来个三连!
部分图片参考自
2019 王道考研 计算机网络