[计网]2.物理层

物理层

物理层的基本概念

物理层的作用

  • 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
  • 物理层为数据链路层屏蔽了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,而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

传输媒体

传输媒体不属于计算机体系结构中的任何一层,他为物理层提供服务,如果真要将他放入体系结构中,只能位于物理层之下

  • 导引型传输媒体

    • 双绞线、同轴电缆、光纤、电力线
  • 非导引型传输媒体

    • 微波通信、无线电波、红外线、可见光

物理层协议的主要任务

  • 机械特性:指明接口所用接线器的 [ 形状和尺寸、引脚数目、排列 、[ 固定和锁定装置 ]
  • 电器特性:指明在接口电缆的各条线上出现的 [ 电压的范围 ]
  • 功能特性:指明某条线上出现的某一电平的 [ 电压表示何种意义 ]
  • 过程特性:指明对于不同功能的各种可能 [ 事件的出现顺序 ]

传输方式

串、并行传输

  • 串行传输:数据一个比特一个比特单个发送,在发送端之间只需要一条传输线路
  • 并行传输:一次性发送n个比特,在发送端和接收端之间需要有n条传输线路

    • 优点:相对串行传输,并行传输的速度为串行传输的n倍
    • 缺点:成本高
  1. 计算机网洛中,数据在线路中采用的是串行传输
  2. 计算机内部的数据传输,用的是并行传输(例:cup与内存的数据传输采用总线传输)
  3. 常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位

同、异步传输

  • 同步传输:数据块以稳定的比特流形式传输,字节之间没有时间间隔,各比特持续时长相等,需要收发双方同步,有以下两种方法

    • 外同步:在双发双方之间添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数据中一起传输(例如曼切斯特编码)
  • 异步传输:以字节为独立的传输单位(1B=8bit),字节之间的时间间隔不固定

    • 因为异步传输只代表字节间的异步,而其比特流的持续时间还是相同的,所以需要给每个字节添加起始位和结束位,方便接收端接收

单、半双、全双工通信

  • 单向通信(单工):通信双方只有一个数据传输方向(例无线电广播),需要一条信道
  • 双向交替通信(半双工):通信双方可以相互传输数据,但不能同时进行,需要两条信道(例对讲机)
  • 双向同时通信(全双工):通信双方可以同时传输数据(例如电话),需要两条信道

编码与调制

在计网中,计算机需要处理和传输用户的文字图片视频等信息,这些信息都需要转换成二进制来进行处理,物理层主要就是处理这些二进制编码

编码

  • 在不改变信号性质的前提下,仅对数字基带信号的波形进行变换,称为编码
  • 编码后产生的信号仍为数字信号,可在数字信道中传输

调制

  • 把数字基带信号的频率范围,搬移到较高的频段,并转换为模拟信号,称为调制
  • 调制后产生的信号是模拟信号,可以在模拟信道中传输

码元

  • 在使用时间域的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形,简单来说,码元就是一段调制好的基本波形

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传输媒体和信道的关系

传输媒体与信道不能直接划等号,在单工中,传输媒体中只需要发送信道,而双工和半双工中,传输媒体中需包含发送信道和接受信道,如果采用信道复用技术,传输媒体中还可包含多信道

在计算机网络中,常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输

常见编码

不归零编码

所谓不归零,就是指在整个码元时间内,电平不会出现零电平

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  • 需要额外一根传输线来传输时钟信号,使得发送方和接收方同步
  • 对于计网,宁愿利用这根传输线传输数据信号,而不是时钟信号

综上所述,不归零编码存在同步问题,计网中不采用它

归零编码

每个码元传输结束后,信号都要“归零”,所以接受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

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  • 归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据内,这称为“自同步”信号
  • 但是,归零编码中大部分的数据带宽,都用来传输"归零"而浪费掉了

综上所述,归零编码虽然自同步,但缺点是编码效率低

★曼切斯特编码

码元中间时刻的跳变既表示时钟,又表示数据

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以太网中采用此编码

调制方法

基本调制方法

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混合调制方法

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信道的极限容量

在信号的传输过程中,通常会因为:码元的传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等因素而造成失真,这个时候接收方将无法识别该比特是0还是1,所以这引出了著名的<奈氏标准>和<香农公式>

奈氏标准

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香农公式

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本文链接:

https://nullcode.fun/174.html
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