计算机网络:物理层相关知识点汇总

  • A+
所属分类:计算机网络

提示:文章写完后,目录可以自动生成,如何生成可参考右边的帮助文档


提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考

一、基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体

物理层的主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性
1.机械特性
定义物理连接的特性,规定物理连接所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
计算机网络:物理层相关知识点汇总

2.电气特性
规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。

3.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。

4.规程特性
定义各条物理线路的工作规程和时序关系

二、数据通信基础知识

2.1典型的数据通信模型

计算机网络:物理层相关知识点汇总
(图片来自王道论坛)

上述例子里就是有两台计算机,通过这样一个公用电话网进行通信。
而调制解调器也就是我们几年前常说的“猫”,
电脑想入网,就需要两种常见的入网方式
1.通过电话线入网——只能传输模拟信号
但是电脑刚从网卡里发出来的是数字信号,所以就需要调制解调器把这个数字信号转换成模拟信号。
2.通过宽带入网
直接插上就可以连网,这里不作过多介绍

假如我们现在要从左边的计算机发送一个“在吗”到右边的计算机:

首先“在吗”这种文字就需要在计算机中转换成计算机可以理解的0101这种数字比特流的方式。 然后从网卡发出来的时候,就形成了一个数字信号,可以表示刚才的0101是怎样的序列,比如高电平是1,低电平是0。 变成了数字信号之后就放在网线上进行传输,传输到调制解调器后,就转变成了模拟信号。 然后模拟信号再在电话线上进行传输,跨国、跨省、跨市... 比如你跨国发送到美国去,就需要这个公用电话网(广域网),经过这个网络之后,模拟信号就到了接收端(右边的计算机)这里。然后经过调制解调器把模拟信号转换成数字信号,然后数字信号被计算机内部处理变成0101这样的数字比特流,然后显示出“在吗”

计算机网络:物理层相关知识点汇总

2.2数据通信的相关术语


通信的目的是传达信息
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
计算机网络:物理层相关知识点汇总
信源:产生和发送数据的源头
信宿:接收数据的终点
信道:信号传输的媒介。一般用来表示向某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收信道。

2.3三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看,可以有三种基本方式:
1.单工通信
只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅仅需要一条信道

2.半双工通信
通信双方都可以发送或接收信息,但任何一方不能同时发送和接收,需要两条信道

3.全双工通信
通信双方可以同时发送和接收信息,也需要两条信道

2.4两种数据传输方式

计算机网络:物理层相关知识点汇总

三、码元、波特、速率、带宽

3.1码元

码元是指用一个固定时长信号波形(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>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。

举例说明:
现在A要把0101010101(共10比特)这样的二进制数发给B,但是由于网线是只能传递信号的,所以你得先把二进制数先变成数字信号的形式,比如我们这里约定高电平1,低电平0.
计算机网络:物理层相关知识点汇总
我们现在开始发送,如下图,首先是发送1,可以看图中箭头是高电平(你约定是5伏或10伏都可以)
计算机网络:物理层相关知识点汇总
然后再发送0,如下图,到0的时候,我们就是用低电平来表示
计算机网络:物理层相关知识点汇总
以此类推,可以把剩下的二进制数都发送到了接收端,如下图。
计算机网络:物理层相关知识点汇总
B接收端就要开始读数据了,看到了高电平,它知道了,这个是1
计算机网络:物理层相关知识点汇总
如果B看到的是低电平,它就知道传过来的是0,以此类推。。。

我们再来看一下码元的定义:码元是指用一个固定时长信号波形

如下图,就是红色部分(它是在一段时间的高电平)
计算机网络:物理层相关知识点汇总
以此类推,这里箭头所指的固定时长内的低电平也可以是一个码元
计算机网络:物理层相关知识点汇总
这个固定时长也就是我们前面说的码元宽度,
而我们举例的这个只有两种离散状态——也就是我们这里的信号只有2种波形:高/低
所以又称为2进制码元。
以此类推,如果状态有M个,就称为M进制码元

1码元可以携带多个比特的信息量,这个怎么解释?如下图
我们现在4进制码元,也就是说码元的离散状态有四个,对应4种高低不同的信号波形,我们分别用00,01,10,11表示
计算机网络:物理层相关知识点汇总
然后这里的一个码元是对应的2比特

3.2速率和波特

速率也叫数据率,是指数据的传输速率,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输速率表示

数据的传输速率也叫发送速率,指的是把数据从主机到链路上传送的速度

这里注意区分传播速率,传播速率指的是在整个信道上进行传播的速度

波特是码元传输速率的单位

3.2.1码元传输速率

别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也称为脉冲个数或信号变化的次数),单位是波特(Baud),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。

上面这么长一段话总结成一句:码元传输速率:1s传输多少个码元
计算机网络:物理层相关知识点汇总
假如一秒钟把上图的5个数据,或者说把上图的5个信号传导的链路上,也就是说1秒传5个码元

3.2.2信息传输速率

别名信息速率,比特率等,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),单位是比特/秒(b/s)

总结成一句话:信息传输速率:1s传输多少个比特
计算机网络:物理层相关知识点汇总
如上图,这个是1秒5码元,然后每个码元有2比特,所以一共10比特,也就是10b/s

关系:若一共码元携带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
bit/s也就是b/s

3.3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

3.4计算题示例(一定要看)

计算机网络:物理层相关知识点汇总
(1)码元传输速率=8000/4=2000 Baud

(2)信息传输速率=8000/4 * log2 4=2000 * 2=4000 b/s

(3)码元传输速率=7200/6=1200 Baud

(2)信息传输速率=7200/6 * log2 16=1200 * 4=4800 b/s

四进制码元系统
码元传输速率8000/4=2000Baud

然后四进制码元表示有4种离散的状态,用几位才能表示4种状态呢?——2位(2个01比特位才能表示4种状态)

然后信息传输速率我们当时是这样说的:
若一共码元携带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
我们这里是用的2比特位表示4种状态,所以n=log2 4=2

十六进制系统的信息传输速率同理:
n=log2 16=4,也就是一码元上有4位

系统传输的是比特流,通常比较的是信息传输速率,所以传输十六进制码元的通信系统传输速率比较快,如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率

四、奈氏准则和香农定理

4.1失真

定义:失去真实性,在计算机网络中信号与本身在刚开始传的时候比较,信号发生了一些扭曲和变化。

计算机网络:物理层相关知识点汇总

几个影响因素:
1.码元传输速率:码元传输速率越快,信号失真越严重
2.信号传输距离:距离越远,干扰越久,失真越严重
3.噪声干扰:噪声越多,失真越严重
4.传输媒体质量:传输媒体质量越差,失真越严重

4.2失真的一种现象——码间串扰

计算机网络:物理层相关知识点汇总
假如我们传输数据的时候是电话入网,电话线上是一个模拟信道,在模拟信道上要用模拟信号,那就得把发送的一些数字信号转换成模拟信号。
在信道实际传输中,信道上其实布满了各种各样的信道,那种比较宽的,比较稀疏的是低频的信号;比较窄,比较密集的是高频的信号。

信道带宽:信道能通过的最高频和最低频之差
这里信道带宽是3300HZ-300HZ=3000HZ

为什么频率过低或过高的都不能通过?
过低:它震动的频率太低了,在这个复杂的电话线上,很容易受到损耗,因此就不容易通过。

过高:它震动的频率过高,接收端不容易区分波形的差异。

由于上述两种原因,所以就会导致码间串扰的现象
码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

4.3奈氏准则(奈奎斯特定理)

为了解决码间串扰,就出来一个非常nice的准则,奈氏准则

奈氏准则:在理想低通(无噪声,带宽受限)条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud,W是信道带宽,单位是Hz。

理想低信道下的极限数据传输率=2Wlog2 V (b/s)
v表示几种码元/码元的离散电平数目
w表示带宽,单位是赫兹

一些结论
1.在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,若传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰问题,使接收端对码元的完全正确识别成为不可能

2.信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多),就可以用更高速率进行码元的有效传输。

3.奈氏准则给出码元传输速率的限制,但并没有对信息传输速率给出限制。

例题:在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少?

解:4个相位,每个相位4种振幅,也就是信号共4*4=16种变化,也就是16种码元
v=16
w=3kHz=3000Hz
最大数据传输率=2w * log2 v=2 * 3000 * log2 16=24000b/s=24kb/s

4.4香农定理

我们刚才说,奈氏准则只是规定最高的码元传输速率,但是没有规定比特传输速率最高是多少,我们的香农定理就是来解决这个问题的。

香农定理和奈氏准则相比,不仅定义了在信道中比特的极限传输速率,也考虑了信道中实际可能存在的噪声干扰

噪声存在于所有的电子设备和通信通道中。由于噪声随机产生,它的瞬时值有时会很大,因此噪声会影响到接收端对码元的判断。但是噪声是相对的,若信号很强,那么噪声的影响相对较小。因此,信噪比很重要

信噪比=信号平均功率/噪声平均功率,通常记为S/N,并用分贝dB作为度量单位,即:
信噪比(dB)=10log10 (S/N)
ps:信噪比是一个比值 只是一个值,本身也就是一个除法的结果是没有单位的,往往这个值很大,所以一般取对数
取了对数这个严格来说就叫做声强级,取对数实际上获得了次方的值,进而得到了声音(信息)的强度
严格来说信噪比只是S/N,声强级才是10log(10)(S/N),但这里两个东西表示的是同一信息

遇到这种题目要看单位,如果有单位就是S/N,没有单位就是10log10 (S/N)

香农定理:在带宽受限且有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值
信道的极限数据传输速率=Wlog2 (1+S/N) (b/s)
S/N是信噪比
W是带宽,单位Hz

一些结论
1.信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高

2.对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了。

3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就一定能找到某种方法来实现无差错的传输

4.香农定理得出的是极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比它低不少

5.从香农定理中可以看出,若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能的),那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

例题:电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,则该系统最大数据传输速率是多少?
30dB=10log10 (S/N)
S/N=1000
最大数据传输速率=Wlog2 (1+S/N)=3000*log2 (1+1000)≈30kb/s

4.5小结

计算机网络:物理层相关知识点汇总

五、编码与调制

5.1基带信号与宽带信号

计算机网络:物理层相关知识点汇总
无线电波,空气这些就是无线信道
光纤、电缆、双绞线这些就是有线信道

基带信号与宽带信号就是我们信道上传送信号的两种形式
ps:除了模拟信号和数字信号,你也可以按传送信号的形式分成基带信号和宽带信号
计算机网络:物理层相关知识点汇总
小技巧:
数字信号在数字信道上传输——基带信号
模拟信号在模拟信道上传输——宽带信号

宽带信号,调制过程举例:
比如我现在对麦克风说话(基带信号),我的声波频率可能不会很高,比如下图这样一个波形
计算机网络:物理层相关知识点汇总
但是由于信道可能很远,而且天气和环境可能会影响到信号,所以我们需要对基础的基带信号进行调制,也就是把它的频率提高,相对之前是高频信号
计算机网络:物理层相关知识点汇总
这种高频信号就是可以应对一些环境的影响,最后到接收端还是可以过滤出基带信号
计算机网络:物理层相关知识点汇总

在传输距离较近时,计算机网络采用基带传输的方式(近距离衰减小,信号内部不易发生变化)。
在传输距离较远时,计算机网络采用宽带传输的方式(远距离衰减大,即使信号变化大最后也能过滤出来基带信号)。

5.2编码与调制

数据可以是数字的,也可以是模拟的。我们计算机语言是二进制的0101,我们发送的数据也是这种数字数据(离散的),我们人在说话时,发送的声波就是模拟的(连续不断的)

不管是数字数据还是模拟数据,为了能把数据传输,以便接收端能接收到这样的数据,我们需要把数据首先转换成信号的形式,然后才能把信号放到链路上进行传输,所以把数据转成信号,用的就是编码或者调制
计算机网络:物理层相关知识点汇总

5.2.1数字数据编码为数字信号

计算机发送的数据都是0101这种数字数据,为了使这种数据能够在信道上进行传播,就需要把数据 编码成数据信号的形式,数字数据的编码就用于基带传输中。也就是说,基本不改变数字信号的频率,直接传输数字信号。

编码方式有很多种,就是规定0和1分别对应什么样的数字信号波形,常用三种如下:
1.非归零编码【NRZ】
2.曼彻斯特编码
3.差分曼彻斯特编码

还有三种作为了解
1.归零编码
2.反向不归零编码
3.4B/5B编码
计算机网络:物理层相关知识点汇总

(1)非归零编码高1低0,编码非常容易实现,但是没有检错功能,且无法判断出一个码元的开始和结束,以至于收发双方难以保持同步
ps:难以保持同步什么意思?

(2)曼彻斯特编码:将一个码元分成两个相等间隔,前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1,码元0和码元1相反。当然你也可以用相反的规定。
该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变,位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步),又作数据信号,但它所占的频带宽度又是原始的基带宽度的两倍,所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

(3)差分曼彻斯特编码同1异0,常用于局域网传输,其规则是:若码元为1,则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同,若为0,则相反。该编码的特点是,在每个码元的中间,都有一次电平的跳转,可以实现自同步,且抗干扰性强与曼彻斯特编码

(4)归零编码:信号电平在一个码元内都要恢复到零这种编码,就叫作归零编码

(5)反向归零编码:信号电平翻转表示0,信号电平不变表示1

了解
计算机网络:物理层相关知识点汇总

5.2.2数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号,而在接收端将模拟信号还原为数字信号,分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
比如下面有一段基带信号,和其对应的调幅、调频、调相。

计算机网络:物理层相关知识点汇总
调幅:如上图,调幅就是0对应没有幅度、1就是有幅度

调频:0对应低频,1对应高频

调相:对相位的一种调制,0对应一种波形,1对应一种波形。

还有一种就是调幅+调相(QAM):在调幅的基础上对幅度再进行一个细分,给他调制几个相位。或者说,在调相的基础上,对于每个相位进行细分给它调成不同的幅度。

例题如下:

计算机网络:物理层相关知识点汇总
:4个相位,每个相位有4种振幅,
共4*4=16种波形,16种波形对应16种码元
要表示16种状态,要有log2 16=4比特位
即4bit可以表示1码元(4bit可以表示16种状态,1码元是16种状态)

波特率为1200Baud,也就是1s传输1200码元
所以,信息传输速率(比特传输速率)=1200*4=4800bit/s

5.2.3模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据,处理的都是数字音频,所以需要将模拟音频通过采样,量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化
计算机网络:物理层相关知识点汇总
举个例子:
计算机网络:物理层相关知识点汇总

1.抽样:对模拟信号周期性扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据,要使用采样定理进行采样。f采样频率>=2f信号最高频率
如上图不规则的模拟信号,我们对它进行周期性扫描,然后抽样。比如上图每过一个相同周期我们就采样一次,采样就是看这个时刻它对应的电压是多少。

2.量化:把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值,并取整数,这就把连续的电平幅值转换成离散的数字量。
将采样得到的电压(有小数、整数、负数)全部统一为整数,并且按照某个分级标准转化成对应值

3.编码:把量化的结果转换称为与之对应的二进制编码
比如上图中有16种状态,那我们就用4bit表示16种离散状态

5.2.4模拟数据调制为模拟信号

计算机网络:物理层相关知识点汇总
比如上图左边有个广播电台发射塔,然后我在左边做广播。

通过话筒传出来的声音是我的声波,我的声波频率可能还是比较低的,难以应对距离远并且情况复杂的信道,就很有可能导致我们这个信号衰减。所以中途要把这个信号调制成一个高频的信号(不容易受损),最后到了接收端再通过解调器把高频变成原先低频即可。

六、物理层传输介质

6.1传输介质及分类

传输介质也称为传输媒体/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
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层下面,因为物理层是体系结构的第一层,因此有时也称传输媒体为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什么意思。相比而言,物理层规定了电气特性,因此能够识别所传输的比特流。
计算机网络:物理层相关知识点汇总
传输介质又分两种:
1.导向性传输介质:类似火车,它的传输轨迹被铁轨规定好了
2.非导向性传输介质:类似飞机,在空中虽然遵循一定的方向,但有时可以稍稍偏离一些
计算机网络:物理层相关知识点汇总

6.2导向性传输介质

6.2.1双绞线


双绞线是最古老,也是最常用的传输介质,它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成

为了进一步提高抗电磁干扰能力,可在双绞线的外面再加上一个由金属丝 编织成的屏蔽层,这就是屏蔽双绞线(STP),无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP)
计算机网络:物理层相关知识点汇总
计算机网络:物理层相关知识点汇总

6.2.2同轴电缆


同轴电缆由导体铜质芯线绝缘层网状编织屏蔽层塑料外层构成。
按特性阻抗数值的不同,通常把同轴电缆分为两类:50Ω和75Ω同轴电缆。

50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号,又称为基带同轴电缆,它在局域网中有着广泛的应用
75Ω同轴电缆主要用于传送带宽信号,又称为带宽同轴电缆,它主要用于有线电视系统

为什么同轴电缆叫“同轴”?如下图,它的四个结构都是共用一个轴线的

计算机网络:物理层相关知识点汇总
现实里,它长这样:
计算机网络:物理层相关知识点汇总

同轴电缆和双绞线的一些区别:
计算机网络:物理层相关知识点汇总

6.2.3光纤


光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信的。有光脉冲表示1,无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10^8MHz,因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

ps:光纤在发送端有光源,可以采用发光二极管或半导体激光器,它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光电二极管做成光检测器,在检测到光脉冲时可以还原出电脉冲。

光纤主要是由纤芯(实心的)和包层构成,光波通过纤芯进行传导,包层较纤芯有较低的折射率。当光纤从高折射率的介质射向低折射率的介质时,其折射角将大于入射角。因此,如果入射角足够大,就会出现全反射,即光线碰到包层就会折射回纤芯、这个过程不断重复,光也就沿着光纤传输下去。

计算机网络:物理层相关知识点汇总
我们入射角大于临界值就可以实现全反射,所以我们可以射入多条光线,于是就有了多模光纤
计算机网络:物理层相关知识点汇总

光纤的一些特点

计算机网络:物理层相关知识点汇总

6.3非导向性传输介质

非导向性传输介质主要有三种:
1.无线电波、2.微波、3.红外线,激光
计算机网络:物理层相关知识点汇总

七、物理层设备

7.1中继器

计算机网络:物理层相关知识点汇总

诞生原因:由于存在损耗,在线路上传输的信号功率就会逐渐衰减,衰减到一定程度就会造成信号失真,因此会导致接收错误。

中继器的功能:对信号进行再生和还原,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同,以增加信号传输的距离、延长网络的长度

中继器的两端:两端的网络部分是网段,而不是子网,适用于完全相同的两类网络的互连,且两个网段速率要相同。中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上,它仅作用于信号的电气部分,并不管数据中是否有错误数据或不适合于网段的数据。

两端可以连相同媒体,也可以连不同媒体
中继器两端的网段一定要是同一个协议(中继器不会存储和转发,它是很傻的)

5-4-3规则:网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定,因而中继器只能在规定的范围内进行,否则会网络故障。

5:只能有最多不超过5个网段
计算机网络:物理层相关知识点汇总
4:5个网段内最多只能有4个网络设备(可以是中继器或集线器)
计算机网络:物理层相关知识点汇总
3:只有三个段可以挂计算机
计算机网络:物理层相关知识点汇总

7.2集线器(多口中继器)


集线器的功能:对信号进行再生放大转发,对衰减的信号进行放大,接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上,以增加信号传输的距离,延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力,是一个共享式设备。
计算机网络:物理层相关知识点汇总

w3cjava

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: