计算机网络之物理层（数据通信有关）

亦凉 2024-04-17 13:39 45阅读 0赞

## 一、概述 ##

### 1.1物理层引入的目的 ###

屏蔽掉传输介质的多样性，导致数据传输方式的不同；物理层的引入使得高层看到的数据都是统一的0,1构成的比特流![ef30bceac6f84082acc1ad0c4c3e5bbc.png][]

### **1.2**.物理层如何实现屏蔽 ###

物理层靠定义的不同的通信协议（一般称通信规程）

这些协议的主要特征表现：物理层标准（机械特性（管脚多少，大小，形状），电气特性（电压高低）功能特性，过程特性（做出什么相应））

### ![b739b1b80bc14e5db0995701cddb18d8.png][]1.3物理层下的传输媒体 ###

> 1.  引导型传输媒体（有线）
> 2.  非引导型传输媒体（无线）

![5be0f9f53e1346279a1d2f98d958e314.png][]

> 重点：  
> **双绞线的绞合目的**：抵御部分来自外界的电磁波干扰和减少相邻导线的电磁干扰。  
> **光纤分为**：多模光纤和单模光纤。

> ##### **1）导向性** （能够将数字信号按固定方向传导的） #####
> 
> 铜介质：金属铜材料构成的
> 
> 同轴电缆，双绞线（虽然带宽低，编码的方式提升了比特的传输速率）
> 
> 塑料介质：
> 
> 光纤导线
> 
> 要求掌握：不同传输介质的传输特性，各种介质优缺点
> 
> ##### 2）非导向性（不能控制数据信号传输方向） #####
> 
> 无线：
> 
> 红外线（遥控器：功耗小）微波传输（卫星，空间站） Wi-Fi 蓝牙

### 1.4通信模型中相关术语 ###

> 1）信息 ：通讯的目的是传输信息
> 
> 2）数据：数据是信息的载体
> 
> 3）信号：数据的外在表现形式
> 
> 信号分为：连续变化的**模拟信号**（正弦波），离散变化的**数据信号**（脉冲）
> 
> 4）信号的变换：信号由一种形式变化成另一种形式 调制
> 
> 数字信号---》数字信号 编码
> 
> 数字信号---》模拟形式 调制
> 
> 5）常见的编码技术
> 
> 6）常见的调制技术

### 1.5传输方式 ###

#### ★串行/并行传输 ####

> **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**

#### ★同步传输 ####

> 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**

> 收发双方时钟同步方法
> 
>  *  **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)

#### ★异步传输 ####

> 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/半双工/全双工 ####

>  *  **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)，**

### 1.6编码与调制![46085cb3aa7942b59328e77840e4687c.png][] ###

> **消息**：需要计算机帮助用户处理和传输的文字、图片、音频、视频等。
> 
> **数据**：运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。
> 
> **信号**：数据的电磁表现。
> 
> **基带信号**：由信源发出的原始电信号。基带信号又可分为两类：
> 
> 1.  数字基带信号
> 2.  模拟基带信号
> 
> **信道**可分为**数字信道**和**模拟信道**两种。信号需要在信道中进行传输

常用编码

#### ![cc86a8d66dee40b487f4b4a1fa5cedb4.png][] ①不归零编码 ####

> 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**

#### ②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)

#### ③曼彻斯特编码 ####

> 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`。

#### ④差分曼彻斯特编码 ####

> 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**

基本调制方法

### ![fd29b161758444f2911356afd24f9d5e.png][] 1.7信道的极限容量 ###

> 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

#### 奈氏准则 ####

信道传输容量

![da57e43c843c4629a64e2b1e75436677.png][]

![62b5896ed34c4b3591102e78b6548f67.png][]

信号不能无限制的传输速率 在低通信情况下（无噪声，带宽受限）码元传输速率是有影响的 2W

#### ![f01ff45108f0475a9ac6b28b4cc37530.png][] 香农公式 ####

信道无差别传输速率

按香农定理指导，一定有一种方法保证数据能以这样的速率无差错的进行传输

![1834f79e33aa45b28255cf2b01248329.png][]

### ![819ada408c014cc7a01335e5f12cc56a.png][] 1.8信道的复用技术 ###

#### 1）目的 ####

提供传输介质的利用率

信道是信号传输通路，信道的载体是具体的传输介质

#### 2）方法 ####

频带细分；时间细分；编码细分

频分多路复用技术，将传输介质的同频带进行划分，划分出不同的子频带，然后让每一路信号在不同子频带上传输，从而让多路信号同时进行传输

#### 3）具体实现 ####

1.频分多路复用技术

2.时分多路复用技术

3.波分多路复用技术

4.码分多路复用技术

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