計算機網絡物理層第一章物理層詳解

物理層

物理層的基本概念

物理層解決如何在各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流,而不是指具體的傳輸媒體

• 物理層的主要任務:確定與傳輸媒體接口有關的一些特性

物理層定義的一些特性

1. 機械特性:定義物理連接的特性,規定物理連接時所採用的規格,接口形狀,引數條目,引腳數量和排列情況
2. 電氣特性:規定傳輸二進制位時,線路上信號的電壓範圍,阻抗匹配,傳輸速率和距離限制.
   • 某網絡在物理層規定,信號的電平用+10V_{+15V表示二進制0,用-10V}-15V表示二進制的1,電線長度限於15m以內
3. 功能特性:指明某條線上出現的某一電平表示何種意義,接口部件的信號線用途
   • 描述一個物理層接口引腳處於高電平時的含義
4. 規程特性:(過程特性)定義各條物理線路的工作規格和時序關係

1.通信基礎

典型的數據通信模型:

數據通信相關術語:

• 數據通信的目的:爲了傳送消息.
• 數據:傳送消息的實體,通常是有意義的符號序列
• 信號:數據的電氣/電磁的表現,是數據在傳輸過程中的存在形式.
  • 數字信號:代表消息的參數取值是離散的
  • 模擬信號:代表消息的參數取值是連續的.
• 信源:產生和發送數據的源頭
• 信宿:接受數據的終點.
• 信道:信號的傳輸媒.一般用來表示向一個方向傳送信號的介質,因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接受信道(是有方向的)
  • 分類:
    • 按照傳輸信號可分爲:
    1. 模擬信道:傳送模擬信號
    2. 數字信道:傳送數字信號
    • 按照傳輸介質:
      1. 無線信道
      2. 有線信道

三種通信方式:

從通信雙方信息的交互方式看,可以有三種基本方式:

1. 單工信道: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
2. 半雙工通信:通信的雙方都可以發送或接受信息,但任何一方都不能同時發送和接受需要兩條信道.
3. 全雙工通信:通信雙方可以同時發送和接受信息,也需要兩條信道

兩種數據傳輸方式:

1. 單行傳輸:速度慢,費用低,適合遠距離
2. 並行傳輸:速度快,費用高,適合近距離.例如:打印機,掃描儀

單行傳輸只需要一條信道,並行傳輸是多條信道同時傳輸比特流,因此需要多條信道.

碼元

碼元是指用一個固定時長的信號波形(數字脈衝),代表不同離散數值的基本波形,是數字通信中數字信號的基本單位,這個時長內的信號稱爲k進制碼元,而該時長稱爲碼元寬度.當碼元的離散狀態有M個時(M大於2),此時碼元爲M進制碼元.

1碼元可以攜帶多個比特的信息量.例如,在使用二進制編碼時,只有兩種不同的碼元:一種代表0狀態,一種代表1狀態.

速率.波特和帶寬

速率:也叫數據率,是指數據的傳輸速率,表示單位時間內傳輸的數據量.可以用碼元傳輸速率和信號傳輸速率表示

碼元傳輸速率:別名碼元速率.波形速率.調製速率.符號速率等.他表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數(也可稱爲脈衝個數或信號變化的次數),單位是波特.(Baud)1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元.這裏碼元可以是多進制的,也可以是二進制的,但碼元速率和進制數無關.(1s傳輸多少個碼元)

信息的傳輸速率:別名信息速率.比特率等,表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數(即比特數),單位是比特/秒(bit/s).一秒能傳輸多少個比特.

關係:假如說一個碼元攜帶n bit的信息,則M Baud的碼元傳輸速率對應的信息傳輸速率是:n*M bit/s.

帶寬:帶寬指的是在單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的最高數據率,常用來表示網絡的通信線路所能傳輸數據的能力,單位是b/s.

• 提問那個系統的傳輸速率更快?

系統傳輸的是比特流,通常比較的是信息傳輸速率.

2.兩個公式

失真

在實際信道傳輸數據過程中,由於帶寬受限,有噪聲,有干擾,會導致發送信號的波形發生變化就叫失真

影響失真程度的因素:

1. 碼元的傳輸速率
2. 信號傳輸距離
3. 噪聲干擾
4. 傳輸媒體質量

失真的一種現象-------碼間串擾

碼間串擾:接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現象

注意區分信號帶寬和信道帶寬.

奈氏準則(奈奎斯特定理)

奈氏準則:在理想低通(無噪聲,帶寬受限)條件下,爲了避免碼間串擾,極限碼元傳輸速率爲2w Baud,w是信道帶寬,單位是hz

$理想低通信道下的極限數據傳輸率= 2Wlog_2{V} \\ 注:W指的是帶寬,V指的是幾種碼元/碼元的離散電平數目$

1. 在任何信道中,碼元傳輸的速率是有上限的.若傳輸速率超過此上限,就會出現嚴重的碼間串擾,使接收端對於碼元的完全正確識別成爲不可能
2. 信道的頻帶越寬(即能通過的信號高頻分量越多),就可以用更高的速率進行碼元間的有效傳輸.
3. 奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制,但並沒有對信息傳輸速率給出限制.
4. 由於碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約,所以要提高數據的傳輸速率,就必須使每個碼元能夠攜帶更多個比特的信息量,這就需要採用多元制的調製方法.

做一個題

在無噪聲的情況下,若某通信鏈路的帶寬爲3kHz,採用4個相位,每個相位具有4種振幅的QAM調製技術,則該通信鏈路的最大數據傳輸率是多少?
$答:信號有4×4=16種變化(調相和調幅結合在一起) \\最大數據傳輸率 = 2×3k×4=24kb/s$

香農定理

噪聲存在於所有的電子設備和通信信道中.由於噪聲隨機產生,它的瞬時值有時會很大,因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤.但是噪聲的影響是相對的,若信號較強,那麼噪聲相對較小因此,信噪比就很重要.

信噪比公式

信噪比 = 信號的平均功率/噪聲的平均功率,常記爲S/N,並用分貝(dB)作爲度量單位,即:
$信噪比(dB)= 10 log_{10}{(S/N)}$

香農定理

在帶寬受限且有噪聲的信道中,爲了不產生誤差,信息的數據傳輸速率有上限值.
$信道的極限數據傳輸速率=Wlog_2{(1+S/N)}\\ S/N表示信噪比\\ 注意:在香農定理中我們用的是信噪比,而不是分貝,如果題目中給出的噪聲是分貝的化,要使用信噪比公式進行轉化$

1. 信道的帶寬或信道中的信噪比越大,則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就確定了
3. 只要信息的傳輸速率低於信道的極限傳輸速率,就一定能找到某種方法實現無差錯的傳輸
4. 香農定理得出的爲極限信息傳輸速率,實際信道傳輸速率要比它低不少
5. 從香農定理可以看出,若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限(不可能),那麼信息傳輸速率也就沒有上限.

做一道題

電話系統的典型參數是信道帶寬爲3000Hz,信噪比爲30dB,則該系統最大數據傳輸速率是多少?
$答:30dB=10log_{10}{S/N} \\求出S/N=1000 信道的極限數據傳輸速率=Wlog_2{(1+S/N)}=3000×log_2{(1+1000)}≈30kb/s$

怎麼區別"Nice"和"香濃"

奈氏準則	香農定理
內憂	外患
帶寬受限無噪聲條件下,爲了避免碼間串擾,碼元傳輸速率的上限爲2W Baud	帶寬受限有噪聲的條件下的信息傳輸速率
理想低通信道下的極限數據傳輸率	信道的極限數據傳輸率
要想提高數據率,就要提高帶寬/採用更好的編碼技術	想要提高數據率,就要想辦法提高帶寬/信噪比
一般情況下沒有噪聲條件下使用(表述不全面,要分情況的)	一般情況下有噪聲條件下使用(表述不全面,要分情況的)

做一道題

二進制信號在信噪比爲127:1的4kHz信道上傳輸,最大的數據速率可達到多少?

這種情況下,我們需要把兩個準則都算一下,取最小值.
$答:分析:二進制信號,即是指2種碼元信號\\ 1.根據奈氏準則公式=2Wlog_2{V}\\ 得:最大數據速率=2×4000×log_2{2}=8000b/s \\2.根據香農定理=W10log_2{(1+S/N)}得: \\最大的數據速率=4000×log_2{(1+127)}=28000b/s \\所以最大數據速率爲8000b/s$

3.編碼和調製

基帶信號與寬帶信號

信道;信號的傳輸媒介.一般用來表示向某一個方向傳送信息的介質,因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道.

信道的分類:

1. 根據傳輸信號分:
   1. 模擬信道:傳送模擬信號
   2. 數字信道:傳送數字信號
2. 傳輸介質分:
   1. 無線信道
   2. 有線信道

基帶信號和寬帶信號其實就是信道上傳輸的兩種形式

信道上傳送的信號的分類:

1. 基帶信號:將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示,再送到數字信道上傳輸(基帶傳輸)
   • 基帶信號就是來自信源的信號,像計算機輸出的代表各種文字或者圖像文件的數據信號都屬於基帶信號.基帶信號就是faculty的直接表達了要傳輸的信息的信號,比如我們說話的聲波就是基帶信號.(基帶信號可以是模擬信號也可以是數字信號,模擬信號比如我們說話的聲波,在計算機中計算機發出的是數字信號)
2. 寬帶信號:將基帶信號進行調製後形成的頻分複用模擬信號,再傳送到模擬信道上去傳輸(寬帶傳輸)
   • 把基帶信號經過載波調製後,把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即僅能在一段頻率範圍內能夠通過信道)

在傳輸距離近時,計算機網絡採用基帶傳輸方式(距離近,衰減少,從而信號內容不容易發生改變)

在傳輸距離遠時,計算機網絡曹勇寬帶傳輸方式(距離遠,衰減大,經過調製後即使信號變化大,也能過濾出來基帶信號)

編碼與調製

不論我們的數據在傳輸過程中是怎麼樣的,只要是要進行傳輸,我們就需要使用到編碼和調製的手段把數據變爲信號.

數字數據------使用數字發送器------>數字信號 :編碼的手段

數字數據------使用調製器------>模擬信號 調製的手段

模擬數據------使用PCM編碼器------>數字信號 :編碼的手段

模擬數據------放大器.調製器------>模擬信號 調製的手段

數字數據編碼爲數字信號

計算機發送的數據都是0101的序列的數字數據,要想數字數據能夠在計算機中傳輸,就需要將數字數據編碼爲數字信號.

數字數據的傳輸用基帶傳輸的方式:既是指基本不改變數字信號的頻率 ,直接傳輸數據

1. 非歸零編碼:高1低0,編碼容易,但是沒有檢錯功能,且無法判斷一個碼元的開始和結束,以至於手法雙方河南保持同步
2. 曼徹斯特編碼:將一個碼元分成兩個相等的間隔,前一個間隔爲低電平後一個間隔爲高電平表示1,碼元0則正好相反.也可以採用相反的額規定.該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳轉,位中間的跳轉即作爲時鐘信號(可用於同步,又做數據信號,但它所佔的頻帶寬度是原始基帶寬度的兩倍),每一個碼元都被調成兩個電平,所以數據傳輸速率只有調製速率的1/2.
3. 差分曼徹斯特編碼:同1異0,常用於局域網傳輸其規則是:若碼元爲1,則前半個碼元的電平相同,若爲0,則相反.該編碼的特點是,在每個碼元的中間,都有一次電平的跳轉,可以實現自同步,且抗干擾性強於曼徹斯特編碼
4. 歸零編碼:信號電平在一個碼元之內都要恢復到0的編碼方式
5. 反向不歸零編碼:信號電平翻轉表示0,信號電平不變表示1
6. 4B/5B編碼:比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1,就是5個比特來編碼4個比特的數據,之後再傳給接收方,因此成爲4B/5B.編碼效率爲80%

非歸零編碼.歸零編碼.反向不歸零編碼在傳輸數據時,尤其是傳輸全0或者全1的數據時,很難保證發送端和接收端的同步,往往需要另外一條信道來建立時鐘信號.

之後的曼徹斯特編碼:可以實現自同步,接收端能夠自己提取信號,計算每個時鐘週期是多少

數字數據調製爲模擬信號

數字數據調製技術在發送端將數字信號轉換爲模擬信號,而在接收端將模擬信號還原爲數字信號,分別對應於調制解調器的調製和解調過程

• 調幅
• 調頻
• 調相
• 調幅+調相

模擬信號編碼爲數字信號

計算機內部處理的是二進制數據.處理的都是數字音頻,所以需要將模擬音頻通過採樣.量化轉換成有限個數字表示的離散序列(即實現音頻數字化)

最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈衝調製(PCM),在計算機應用中,能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼,被廣泛用於素材保存和音樂欣賞,CD.DD以及我們常見的WAV文件中均有應用.它主要包括三步:抽樣.量化.編碼.

1. 抽樣:對模擬信號週期性進行掃描把時間上連續的信號變成時間上離散的信號.爲了使所得的離散信號能無失真的代表被抽樣的模擬數據,要使用採樣定理進行採樣.
   $採樣定理:f_{採樣頻率}>=2f_{信號最高頻率}$

2. 量化:把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標準轉化爲相應的數字值,並取整數,這就把連續的電平幅值轉換爲離散的數字量

3. 編碼:把量化的結果轉換爲與之對應的二進制編碼

模擬數據調製爲模擬信號

爲了實現傳輸的有效性,可能需要較高的頻率.這種調製方式還可以使用頻分複用技術,充分利用帶寬資源.在電話機和本地交換機所傳輸的信號是採用模擬信號傳輸模擬數據的方式:模擬的聲音數據是加載到模擬的載波信號中傳輸的.

例如:人使用喇叭

4.傳輸介質

傳輸媒介也稱傳輸媒體/傳輸媒介,它就是數據傳輸系統中在發送設備和接受設備之間的物理通路.

傳輸媒體並不是物理層,傳輸媒體在物理層的下面因爲物理層是計算機網絡體系結構的第一層,因此有時稱傳輸媒體爲第0層.在傳輸媒體中傳輸的是信號,但是傳輸媒體並不知道所傳輸的信號代表什麼意思.但物理層規定了電氣特性,因此能夠識別所傳送的比特流.

分類:

1. 導向性傳輸介質:電磁波被導向沿着固體媒介(銅線/光纖)傳播 比如:火車
2. 非導向傳輸介質:自由空間,介質可以是空氣,真空,海水 比如:飛機

導向性傳輸介質----1.雙絞線

它採用一定規則並排膠合,相互絕緣的銅導線組成

可分爲無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線

特點:雙絞線價格便宜,是最常用的傳輸介質之一,在局域網和傳統電話網中普遍使用.模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線,其通信的距離一般爲幾公里到數十公里,距離太遠時,對於模擬傳輸,要用放大器放大衰減的信號,;對於數字傳輸,要用中繼器將失真的信號整型

導向性傳輸介質----2.同軸電纜

同軸電纜由導體銅質芯線.絕緣層.網狀編織屏蔽層和塑料外層構成.按特性阻抗數值的不同通常將同軸電纜分爲兩類:50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜.其中50Ω同軸電纜主要用於傳送基帶數字信號,又稱爲基帶同軸電纜,

在局域網中得到廣泛的應用;75Ω同軸電纜主要用於傳送寬度信號,又稱爲寬帶同軸電纜,它主要用於有線電視系統

同軸電纜和雙絞線

由於外導體屏蔽層的作用,同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好,被廣泛應用於傳輸較高速率的數據其((傳輸距離**也更遠,但價格也更昂貴.

導向性傳輸介質----3.光纖

光纖通信就是利用光導纖維(簡稱光纖)傳遞光脈衝來進行通信.有光脈衝表示1,無光脈衝表示0,而可見光的頻率大約是 10^8MHz,因此光纖通信系統的帶寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的帶寬.

光纖在發送端有光源,可以採用發光二極管或者半導體激光器,他們在電脈衝作用下能產生出光脈衝,在接收端使用光電二極管做成光電檢測器,在檢測到光脈衝時可還原出電脈衝.

類別	定義	光源	特點
單模光纖	一種在橫向模式直接傳輸光信號的光纖	定向很好的激光二極管	衰耗小,社和遠距離傳輸
多模光纖	有多種傳輸光信號模式的光纖	發光二極管	易失真,適合近距離傳輸

光纖的特點

1. 傳輸損耗小,中繼距離長,對遠距離傳輸特別經濟
2. 抗雷電和電磁干擾性能好
3. 無串音干擾,保密性還,也不易被竊聽或者竊取數據
4. 體積小,重量輕

非導向性傳輸介質

分類:

1. 無線電波:較強穿透能力,可傳遠距離,廣泛用於通信領域
2. 微波:信號固定方向傳播,微波通信頻率較高,頻段範圍寬,因此數據率很高
3. 紅外線.激光.信號固定方向傳播

5.物理層設備

中繼器

誕生原因:由於存在損耗,在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減,衰減到一定程度就造成了信號失真,一次會導致接收錯誤

中繼器功能:

對信號進行再生和還原,對衰減的信號進行放大,保持與原數據相同,以增加信號傳輸的距離,延長網絡的長度

中繼器的兩端

兩端的網絡部分是網段,不是子網,適用於完全相同的兩類網絡的互連,且兩個網段速率相同,中繼器只將任何電纜段上的數據發送帶另一端電纜上,它僅作用於信號的電氣部分,並不管數據中是否有錯誤數據或者不適用網段的數據.

兩端可連接相同的媒體,也可連接不同的媒體

中繼器兩端的網段一定要是同一個協議

5-4-3規則

網絡標準中都對信號的延遲範圍作了具體的規定,因而中繼器只能在規定的範圍內進行,否則會網絡故障.

5個網段 4個媒體 3個端口

集線器(多口中繼器)

集線器的功能

對信號進行再生放大轉發,對衰減的信號進行方法,接着轉發到其他所有(輸了輸入端口外),處於工作狀態的端口上,以增加信號傳輸的距離,延長網絡的長度,不具備信號的定向傳送能力,是一個共享的設備.

集線器不能分隔衝突域------------>連接集線器上的工作主機平分帶寬.

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