《计算机网络》之物理层

目录

2.1物理层与物理层协议的基本概念

2.2数据通信的基本概念

2.3频带传输技术

2.4基带传输技术

2.5多路复用技术

2.6同步光纤网与同步数字体系

2.7接入技术

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• 2.1物理层与物理层协议的基本概念

  • 物理层的基本服务功能
    • 物理层的主要任务：保证比特流通过传统介质的正确传输，为数据链路层提供数据传输服务
    • 物理层的重要功能：根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议，规定相应的物理层协议，规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信参数。
    • 物理层的目的是：屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使 数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现。
  • 物理层协议的类型
    • 基于点-点通信线路的协议
    • 基于广播通信线路的物理层协议
      • 有线通信线路，802.3标准
      • 无线通信线路，无线局域网802.11标准、无线城域网802.16标准，无线个人区域网802.15.4标准
  • 物理层向数据链路层提供服务
    • 点-点通信线路的物理层比特流传输过程，忽略了通信设备的细节，将点-点通信线路简化为点-点传输介质
    • 点-点通信线路的物理层的通信需要经过：建立物理连接、传输比特流与释放物理连接的过程。

• 2.2数据通信的基本概念

  • 信息、数据与信号的基本概念
    • 信息：组建计算机网络的目的是实现信息共享。信息的载体可以是文字、语音、图形或视频。
    • 数据：计算机为了存储、处理和传输信息，首先要将表达信息的字符、数字、语音、图形、图像或视频用二进制数据表示。计算机存储与处理的是二进制代码。
    • 信号：在通信系统中，二进制代码0、1比特序列必须变换成用不同的电平或频率变化的信号之后，才能够通过介质进行传输。
    • 信息与编码：目前应用最广泛的是美国信息交换标准编码ASCII码。它被用于计算机内码，也是数据通信中的编码标准
    • 信息、数据与信号的关系：会话双方之间交换的是“信息”，计算机将信息转换为计算机能够识别、处理、存储与传输的“数据”，而计算机网络物理层之间通过传输介质传输的“信号”。
  • 数据通信方式（一条通信线路（光纤）可划分出多条发送与接收信道，用于发送与接收数据）
    • 数据传输类型
      • 在传统介质上传输的信号类型有两种：模拟信号与数字信号
        • 模拟信号（波形）：电平幅度连续变化的电信号称为模拟信号。人的语音信号属于模拟信号。
        • 数字信号（直形）：计算机产生的电信号是用两种不同的电平表示0、1比特流列电压跳变的脉冲信号
    • 数据通信方式
      • 串行通信与并行通信（与串并联相似）
      • 单工、半双工与全双工通信（按照信号传送方向与时间的关系划分）
        • 单工：信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向
        • 半双工：信号可以双向传送，但是必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送
        • 全双工：信号可以双向传送
      • 同步技术
        • 位同步：要求接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻，这个过程称为位同步
          • 外同步：发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路时钟信号
          • 内同步：是从自含时钟编码的发送信号中提取同步时钟的方法。曼切斯特编码与差分曼切斯特编码都是自含时钟编码的方法。
        • 字符同步：保证收发双方正确传输字符的过程就叫字符同步。
          • 同步传输（同步通信）：采用同步方式进行数据传输，将字符组织成组，以组的单位连续发送。
          • 异步传输（异步通信）：采用异步方式进行数据传输，每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。
  • 传输介质的主要类型与特征（传统介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线与卫星通信）
    • 双绞线：是局域网中最常用的传输介质，一对导线可以作为一条通信线路。每对导线相互绞合的目的是为了使通信线路之间的电磁干扰达到最小。
      • 屏蔽双绞线STP
      • 非屏蔽双绞线UTP
    • 同轴电缆：由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成。特点：抗干扰能力较强。
    • 光纤：是传输介质中性能与应用前景最好的一种。
    • 无线与卫星通信技术： 电磁波
      • 无线传播方式：在自由空中传输
      • 有线传播方式：在有限的空间内传播
      • 移动物体与固定物体、移动物体与移动物体之间的通信都属于移动通信。
      • 在无线通信中，描述无线信号的参数主要是频率与信号强度（信号功率）
  • 数据编码分类
    • 计算机的二进制数据
      • 模拟信号
        • 模拟通信线路（模拟数据编码）
          • 模拟数据编码
            • 振幅键控ASK
            • 移频键控FSK
            • 移相键控PSK
      • 数字信号
        • 数字通信路线（数字数据编码）
          • 外同步编码
            • 非归零码
          • 内同步编码
            • 曼切斯特编码
            • 差分曼切斯特编码

• 2.3频带传输技术

  • 频带传输的基本概念
    • 模拟信道特点
      • 电话线路是典型的模拟信道线路，它是目前世界上覆盖面呢最广、应用最普遍的通信线路
    • 调制解调器的作用
      • 将发送端的数字信号变换成模拟信号的过程称为调制，实现调制功能的设备称为调制器；将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程称为解调，实现解调功能的设备称为解调器。同时具备调制与解调功能的设备称为解调器。
  • 模拟数据信号编码的方式
    • 振幅键控ASK是通过改变载波信号振幅来表示数字信号0、1
    • 移频键控FSK是通过改变载波信号角频率来表示数字信号0、1
    • 移相键控PSK是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0
  • 波特率的定义
    • 调制速率描述通过模拟线路传输模拟信号过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改变的数值，单位1/S,称为波特。调制速率也称为波特率，描述的是码元传输的速率
    • 比特率的定义：数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps，称为比特率

• 2.4基带传输技术

  • 基带传输的定义
    • 计算机二进制的比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号，也称为基带信号，在数字信道上直接 传输基带信号的方法称为基带传输
  • 调制解调器的作用
    • 在发送端，计算机的二进制的比特序列经过编码器变换成曼切斯特编码或差分慢切斯特信号。在接收端，由解码器还原成发送端相同的二进制比特序列。
  • 数字数据编码方法
    • 非归零
      • NRZ码可以规定用低电平表示数字0，用高电平表示数字1
      • 缺点是无法判断一位的开始和结束，收发双方不能保持同步，必须在发送NRZ的同时，用另一个信道同时传送信号。
    • 曼切斯特编码是目前应用最广泛的编码方式之一。
  • 脉冲编码调制方法
    • 脉冲编码调制PCM是模拟数据数字化的主要方法
    • PCM技术的典型应用是语音的数字化
    • PCM的工作过程主要包括采样、量化、编码
  • 调制器、曼切斯特编码器与PCM编码器的比较
    • 调制器的作用：将计算机产生的二进制数字数据信号转换成模拟数据信号
    • 曼切斯特编码器的作用：计算机产生的二进制数字数据信号转换成适应数字通信系统传输的数字数据信号
    • PCM编码器；将模拟的语音信号转换成数字的语音信号
  • 比特率的定义
    • 数据传输速率在数值上等于每秒钟传输的二进制数，单位为比特/秒，S=1/T（bps）T为发送每个比特所需时间。
    • 数据传输速率是指主机向传输介质发送数据的速率
  • 奈奎斯特准则和香农定理
    • 奈奎斯特准则Rmax=2B（bps）
    • 香农定理Rmax=Bxlog2（1+S/N）       信噪比S/N（db）101g（S/N）

• 2.5多路复用技术

  • 多路复用器在一条物理线路上可以划分多条通信信道。
  • 时分多路复用
    • 基本概念：时分多路复用将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每位用户分得一个时间片，用户在占用的时间片内使用信道的全部带宽。
    • 时分多路复用可以分为：同步时分多路复用与统计时分多路复用
      • 同步时分多路复用STDM方法是将通信线路的传输时间分为n个时间片，每个时间片固定地分配给一个信道，每个信道供一个用户使用。   优点：方法简单，易于实现。   缺点：由于将时间片固定地分配给信道，而不考虑这些信道是否有数据要发送
      • 异步时分多路复用ATDM允许动态地分配时间片，为了提高通信线路的利用率，允许每个周期内的各个时间片只分配给需要发送数据的信道。
  • 频分多路复用
    • 频分多路复用是一条通信线路上设置多个信道，每个信道的中心频率不相同，每个信道的频率范围互不重叠，这样一条线路就可以划分为不同通信频率的多个信道，用于同时传输多路信号。
  • 波分多路复用
    • 波分复用是光波段的频分多路复用，只要每个信道的光载波频率互不重叠，就可用多路复用方式通过共享光纤进行远距离传输。
    • 又称为密集波分复用DWDM

• 2.6同步光纤网与同步数字体系

  • 同步光纤网SONET    同步数字体系SDH（不仅适用于光纤传输系统，也适用于微波与卫星传输体系）
  • 基本速率标准的制定
    • T1载波速率是针对脉冲编码调制PCM的时分多路复用设计而成的。
    • E1载波速率除了北美的24路PCM数字语音信道复用的T1载波之外，还存在欧洲的30路PCM,数字语音信道复用的E1载波
  • SDH速率体系
    • STS速率、OC速率与STM速率
      • OC定义的是光纤上传输的光信号速率
      • STS定义的是数字电路接口的电信号传输速率
      • STM标准是电话主干线的数字信号速率标准。

• 2.7接入技术

  • 接入技术分类
    • 用户接入
      • 家庭接入
      • 校园接入
      • 机关与企业接入
    • 接入技术分为
      • 有线接入
        • 电话交换网接入
        • 有线电视网接入
        • 光纤接入
        • 局域网接入
      • 无线接入
        • 无线局域网接入
        • 无线自组网接入
        • 无线城域网接入
        • 移动通信网接入
  • ADSL接入技术
    • 数字用户线xDSL的基本概念
      • 人们通常使用前缀X来表示不同的数据用户线技术方案XDSL，如非对称数字用户线ADSL、高速数据用户线HDSL、甚高速数据用户线VDSL
      • ADSL接入技术的特点
        • ASDL在电话线上同时提供电话与Internet接入服务
        • ASDL提供的非对称带宽特性
          • ADSL系统在电话线路上划分出三个信道：语言信道、上行信道与下行信道
        • ASDL结构
      • ADSL标准
  • HFC接入技术
    • 光纤同轴电缆混合网HFC
    • 技术特征
      • HFC技术的本质是用光纤取代有线电视网络中的干线同轴电缆，光纤接到居民小区的光纤结点之后，小区内部接入用户家庭仍然使用同轴电缆，传输网络形成以头端为中心的星状结构
      • 在光纤传输线路上采用波分复用的方法，形成上行和下行信道
      • 从头端向用户传输的信道称为下行信道，从用户向头端传输的信道称为上行信道
  • 光纤接入技术
    • 光纤接入是指局端与用户端之间完全以光纤作为传输介质的接入方式。光纤接入分为有源光网络ANO接入（同步光纤网SNOET）与无源光网络PNO接入（Internet接入）
    • FTTx接入的结构特点
      • 由于光纤接入形成了从一个局端到多个用户端的传输线路，多个用户共享一条主干光纤的带宽，因此无源光网络PON是一种点到多点的系统。