计算机网络(三)物理层
1 物理层的基本概念
- 物理层就是要解决在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流(比特0和比特1)的问题
- 向上一层数据链路层屏蔽各种传输媒体的差异,提供透明的比特流传输服务。
物理层协议的主要任务
2 物理层下的传输媒体
传输媒体分为两类:
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导引型传输媒体:电磁波被导引沿着固体媒体传播
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双轴线
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同轴电缆:各层都是一个同轴的同心圆,这也是名字的由来
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光纤
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电力线
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非导引型传输媒体:自由空间
- 微波通信(2-40HZ)
- 无线电波
- 红外线
- 可见光
3 传输方式
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串行传输:数据一个比特一个比特一次发送的,发送端和接收端之间只需要一条传输线路
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并行传输:一次性发送多个比特,发送端和接收端之间只需要多条传输线路
- 并行传输的优点是速度比串行传输要快,缺点是成本很高
- 计算机网络中,数据在传输线路的传输采用的是串行传输,计算机内部的数据传输采用的是并行传输(通过总线控制)
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同步传输:发送端以稳定的比特流的形式进行传输,字节之间没有间隔。
- 接收方需要在每个比特信号的中间时刻进行检测以判别是0还是1
- 由于不同设备的时钟频率存在一定差异,会造成时钟误差的积累导致比特信号判别错位,因此需要采取方法使收发双发的时钟保持一致,方法有:
- 外同步:在收发双发之间添加一条单独的时钟信号线,接收方按照时钟信号的节奏同步数据
- 内同步:发送端将时钟同步编码到发送的数据中心一起传输(如传统以太网的曼彻斯特编码)
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异步传输:发送端以字节为传输单位,字节之间的发送间隔不是固定的,接收端只在字节的起始处对接收的字节进行同步,因此需要在每个字节添加起始和结束位
- 这里的异步是字节之间异步,也就是字节之间的间隔不固定
- 但字节之间的每个比特仍要同步,即每个字节的持续时间是相同的
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单向通信(单工):通信的双发只有一个传输方向,如无线电广播
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双向交替通信(半双工):通信双方有两个传输方向,但是不能同时通信,如对讲机
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双向同时通信(全双工):通信双方可以同时发送和接收数据,如电话
4 编码与调制
4.1 基带信号的编码与调制
- 计算机将要处理的文字、图片、音频以及视频统称为
消息
,把运送消息的实体称作数据
,且计算机只能处理二进制的数据 - 计算机的
网卡
会将二进制数据变换成相应的电信号发送到网线,信号即使数据的电磁表现 - 由信源发出的原始信号称作
基带信号
,基带信号
又可以分为两类:- 数字基带信号:如计算机内部CPU和内存传输的信号
- 模拟基带信号:如麦克风收到声音产生的音频信号
- 信号需要在
信道
中进行传输,信道又分为数字信道
和模拟信道
两种 - 对于数字基带信号的处理有两种方法:
- 编码:在不改变信号性质的前提下,仅对数字信号的波形进行变换。编码后产生的信号仍为数字信号,可以在数字信道中传输。如以太网的曼彻斯特编码
- 调制:把数字信号的范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号。调制后产生的信号是模拟信号,可以在模拟信道中传输。如WIFI的(CCK、DSSS、OFDM)
- 对于模拟基带信号的处理也有两种方法:
- 编码:...
- 调制:...
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码元:在使用时间域的波形表示数字信号的时候,代表不同离散数值的基本波形
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传输媒体并不等于信道,如使用半双工和全双工进行通信,则一条传输媒体包含两个信道,如果使用信道复用技术则可包含更多信道
4.2 几种常见的编码
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不归零电平:即传输过程中不会出现零电平的情况
不归零电平存在同步问题:这时候为了判断码元的起始位置,需要额外一根传输线来传输时钟信号,即之前说到的
外同步传输
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归零电平:每个码元传输结束后信号需要归零,接收方只需要在电平归零后采样即可,不需要单独的时钟信号
- 相当于将时钟信号以编码的方式放在了数据之内,称作
自同步
的方式 - 缺点是很大一部分带宽都被归零电平浪费掉了,导致编码的效率较低
- 相当于将时钟信号以编码的方式放在了数据之内,称作
-
曼彻斯特编码:每个码元之间都会发生跳变,正跳变表示比特0,副跳变表示比特1。码元中间时刻的跳变即能够表示时钟,又能够表示数据,是传统以太网采用的编码方式。
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查分曼特斯特编码:电平跳变表示时钟;依照每个码元开始处电平是否变化表示数据。
查分曼彻斯特编码的变化更小,更适合较高的传输速率
4.3 编码练习题
10BaseT表示10Mb/s,采用曼彻斯特编码,因此正跳变表示0负跳变表示1
选A
4.4 基本调制方法
- 调幅:无载波输出表示0,有表示1
- 调频:频率f1表示0,f2表示1
- 调相:相位0表示0,180表示1
4.5 混合调制方法
- 由于频率和相位是相关的,每次只能调制其中的一个,因此通常情况下都将相位和振幅结合起来进行调制,成为
正交振幅调制QAM
,以使得每个码元能够包含更多的比特 - 如
QAM-16
可以调制出16种码元,因此能够包含4个比特位(2^4)