26考研 | 王道 | 第二章 物理层

  • 物理层的任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输。

  • 物理层功能：

    • 透明传输比特流

      • 物理层负责在物理设备之间直接传输原始的二进制比特流（如0101序列），不关注数据的内容或结构，仅确保比特流能通过物理介质正确传递

    • 定义物理接口标准

      • 物理层规定了设备间通信所需的机械特性（如连接器形状）、电气特性（如电压范围）、功能特性（如信号电平含义）和规程特性（如连接建立与释放流程）

    • 管理物理连接

      • 包括物理链路的激活（建立连接）、数据传输期间的维持（信号放大与整形）以及终止（释放连接）

    • 屏蔽底层差异

      • 通过统一标准，使数据链路层无需感知不同传输介质（如光纤与双绞线）或通信手段（有线与无线）的差异

  • 物理层包括物理接口，传输介质，物理层设备

传输方式

1.并行传输特点：距离短，速度快

2.串行传输特点：距离长，速度慢

同步传输和异步传输是通信方式不是传输方式。

信息传输速率指的是信号的发送速率，而信号的传播速率是信号在信道上的传播速率

1.通信基础基本概念

在这里插入图片描述

一、信源、信宿、信号、信道

网线一般都是两个信道

一条可双向通信的电路里往往包含两个信道，一个发送信道一个接收信道

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  • 数字信号：值离散

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  • 模拟信号：值连续

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二、码元的概念

  • 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。
  • 每一个信号 == 一个码元
  • “信号周期” -> 码元宽度
  • 一个码元（信号）有4种状态 ==> 4进制码元 ==> 一个码元携带2比特的数据（00 01 10 11）；

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代价是相对于二进制码元来说的

  • 用模拟信号设计4进制码元

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重点：码元与比特的关系

  • 码元所携带的比特数与一个“周期”内出现的信号的种类数有关
  • 一个“周期”内出现K种信号，则：
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其实就是一个信号对应一个数

三、速率

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四、信道的极限容量

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噪声

概念：对信道产生干扰，影响信道的数据传输速率。

你和同学交流时，另一个同学在旁边背单词，即为噪声；

奈奎斯特定理

W是信道的频率带宽单位是Hz

如果看到Baud，那就是波特，即码元/秒

如果信息速率是1200Baud的话，其实是2W=1200Baud，而不是1W=1200Baud

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香农定理

S是signal信号，N是noise

影响信道最大传输速率的因素主要有信道带宽和信噪比

信息传输速率指的是比特率

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信噪比

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奈奎斯特定理&香农定理

若给出了码元和比特数之间的关系，则最大的数据传输速率受两个公式同时制约，取两者的最小值就是最大数据传输速率

例如：P36页12题

二进制信号在127:1的4KHz信道上传输，最大数据传输速率是8000b/s，而不是28000b/s。8000b/s是由4k*log以2为底2的对数算出来的

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如果有采样率(每秒采样几次)的话，那么数据传输速率等于采样率乘以码元的比特数量，不用乘以2

五、编码&解码、调制&解调

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  • 常用的编码方法
    图中虚线的一小格对应一个信号周期

在这里插入图片描述

举例：曼彻斯特编码将时钟和数据包含在信号中，在传输数据的同时，也将时钟一起传输给对方，码元中间的跳变作为时钟信号，不同的跳变方式作为数据信号。（也说明了有自同步能力）

曼彻斯特编码最适合传输二进制数字信号

使用曼彻斯特编码的最主要的原因是实现通信过程中收发双方的数据同步（用中间电平跳变来表示每个比特，可方便收发双方根据跳变来同步时钟，而不需要额外的时钟信号）

曼彻斯特编码常用于局域网传输

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是否浪费带宽就是看一个信号周期内有没有发生跳变，没有发生跳变，那么就这一段的带宽就完全是携带的数据，没有浪费。如果这一个信号周期内发生了跳变，那肯定浪费了带宽去存储跳变之后或者之前的带宽

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  • 常用调制方法

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  • 正交幅度调制

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  • 常用的QAM调制方案

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2.传输介质（传输媒体 transmission medium）

传统以太网采用广播的方式发送信息，同一时间只允许一台主机发送消息，因此主机间是半双工通信的

同轴电缆比双绞线的传输速率更高得益于：同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性

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  • 导向型：指信号朝固定方向传播，通常有线传输介质为导向型。
  • 非导向型：信号会朝四面八方传播，通常为无线传输介质。
双绞线

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  • 抗干扰能力：通过提高绞合度、增加屏蔽层，可以提升抗电磁干扰的能力，从而使信道噪声功率降低，

极限速率升高。

同轴电缆

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50欧姆的用来传送基带数字信号，75欧姆的用来传送宽带信号

光纤

前置知识

  • 光的全反射特性（个人总结版）：当光线从光密介质（即高折射率介质）进入到光疏介质（低折射率介质），且光线的入射角大于临界角（使全反射发生的最小入射角），折射光线消失，只存在反射光线，即全反射现象。
  • 中继器的功能：中继器的主要功能是对信号进行再生和还原。中继器是一种工作在OSI模型物理层的网络设备，它的主要作用是通过重新发送或转发数据信号来扩大网络传输的距离。具体来说，中继器的功能包括：
    • 信号再生：中继器能够接收到的信号并进行复制，然后发送到另一个节点。这个过程中，中继器会对信号进行重新生成，以确保信号的质量，使其适合于下一个传输阶段。
    • 信号还原：由于信号在传输过程中会衰减，中继器可以放大这些信号，以保持其强度，从而延长信号的有效传输距离。
    • 延长网络长度：通过上述功能，中继器有助于延长网络的长度，使得信号可以在更远距离上传输，从而扩展网络的覆盖范围。

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  • 多模光纤：纤芯更粗、可同时传输多条光线、信号传输损耗更高。适合较近距离传输。通常为橙色、绿色外皮。

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  • 单模光纤：纤芯更细（9μm左右）、直径小于一个波长、只能传输一条光线、信号传输损耗低、适合远距离传输。通常为黄色外皮。

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以太网对有线传输介质的命名规则

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无线传输介质

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卫星通信：成本高，传播时延大，受气候影响大，保密性差，误码率较高等特点

物理层接口的特性

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物理层主要任务：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，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引脚数目、引脚数量和排列情况
2、电气特性：规定传输二进制位时，线路信号上的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制（某网络在物理层规定，信号的电平用+10v到+15v表示二进制0，用-10v到-15v表示二进制1，电线长度限于15米以内）
3、功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线用途（描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时）
4、规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序的关系

3.物理层设备

物理层设备连接的几个网段仍属于一个局域网（广播域）

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中继器
  • 由于传输距离太长，数字信号就会失真，如果想增长网络覆盖的距离，就需要中继器这种设备，利用中继器让信号整形再生，减小信号的失真程度。
  • 中继器会让衰减的信号再生（再生=放大+整形），而不是简单的放大
  • 由于物理层设备没有存储转发功能，所以中继器不能连接速率不同的局域网，也不能连接不同数据链路层协议的局域网。但是可以连接不同介质的局域网，比如光纤和双绞线，只要他们的速率和协议相同

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单工、半双工和双工通信

  • 单工通信只支持信号在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。
  • 半双工通信允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。
  • 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输。
集线器

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  • 冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两台主机处于同一个“冲突域”。处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”。
  • 以太网交换机可以“隔离”冲突域。

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集线器、中继器的一些特性

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  • 5-4-3 原则：使用集线器（或中继器）连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段、使用4台集线器（或中继器），只有3个网段可以挂接计算机。
  • 物理上看起来是星形结构，逻辑上是总线形拓扑结构：数据”广播式”传输，存在“信道争用”问题。
  • 国内教材：中继器、集线器不能连接物理协议不同的网段，也不能连接速率不同的网段。(做题以国内教材为主)