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计算机网络————第二章物理层

news 2025/9/20 7:09:14

2.1通信基础

基本概念

信源： 信号的来源（数据的发送方）
信宿： 信号的归宿（数据的接收方）
信号： 信息的载体，在信道上传输
第一类分类：
- 数字信号：信号值是离散的
- 模拟信号：信号值是连续的
  第二类分类：
- 基带信号：指将计算机发送的数字信号1/0用两种不同的电压表示直接发送到通信线路进行传输的信号。
- 宽带信号：指基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。
信道： 传输数据的通道
数据： 信息的实体（文字、声音、图像），在计算机内部数据通常是二进制
码元： 表示数字信号某一状态的基本波形、脉冲或符号，是数字基带信号的最小单位。
速率： 数据传输速率

信道的极限容量

在《计算机网络》中

带宽：表示某条信道所能通过的“最高数据率”。单位：bps
在《通信原理》中：
带宽：表示某信道允许同通过的信号频带范围。单位：Hz

信道的噪声： 对信道产生干扰，影响信道的数据传输速率

奈奎斯特定理：
对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道）;
若信道的带宽为 WHz，则它所能传输的最高码元速率（极限波特率） 为：极限波特率 = 2W

香农定理：
对于一个有噪声、带宽有限的信道；
极限比特率 = $Wlog_2(1+S/N)$ 单位：（b/s）
信噪比 = $S / N$ = $信号功率 / 噪声功率$ 无单位
信噪比 = $10log_10S/N$ 单位:dB(分贝)
信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小

编码和调制

变换器：将二进制数据转换为信号
反变换器：将信号转换为二进制数据
编码： 二进制数据–>数字信号
解码： 数字信号–>二进制数据
调制： 二进制数据–>模拟信号
解调： 模拟信号–>二进制数据

常用的编码方法：

不归零编码（NRZ）：低电平表示0，高电平表示1–>“低0高1，中不变”
归零编码（RZ）：低电平表示0，高电平表示1,信号周期中间归零–>“低0高1，中归零”
反向非归零编码（NRZI）：看每个周期起点信号是否发生跳变，不跳为1，跳变为0–>“跳0不跳1看起点，中不变”
曼彻斯特编码：一个周期内上跳为0，下跳为1，周期中间必定发生跳变–>“跳0反跳1看中间，中必变”
差分曼彻斯特编码：关注信号周期起点位置，起点未跳变为1，跳变为0–>“跳0不跳1看起点，中必变”

自同步能力： 信源和信宿可以根据信号完成“节奏同步”，无需时钟信号

常用的调制方法：

调幅（AM/ASK）:有振幅为1，无振幅为0
调频（FM/FSK）：频率快为1，频率低为0
绝对调相（PSK）：为0的波形始终不变，为1的波形始终不变
相对调相（PSK）:看前一个周期，为0波形与前一个周期波形一样，为1与前一个周期波形右移180°
正交幅度调制（QAM）：将调幅（n种）和调相（m种）两两“复合”，可调制出mn种信号，1码元 = $log_2mn$ bit

2.2传输介质

导向型传输介质

双绞线
- 主要构成：两根导线相互绞合而成
  有屏蔽层为屏蔽双绞线（STP）
  没有屏蔽层为非屏蔽双绞线（UTP）
- 抗干扰能力–较好

同轴电缆
- 主要构成：内导体（用于传输信号） + 外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）
  内导体越粗、电阻越低、传输过程中信号衰减越少、传输距离越长
- 抗干扰能力–好

光纤
- 主要构成：纤芯（高折射率）+ 包层（低折射率）；利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号
- 分类：
  单模光纤–只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
  多模光纤–多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真
- 抗干扰能力–非常好。光信号对电磁干扰不敏感
- 其他优点–信号传输损耗小、长距离传输时中继器少;节省布线空间

以太网对有线传输介质的命名规则
速度 + Base + 介质信息
如：10Base5 —10Mbps,同轴电缆，最远传输距离500m

非导向型传输介质

无线电波
- 特点：穿透能力强、传输距离远、信号指向性弱
- 如：手机信号、WiFi
微波通信
- 特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差
- 如：卫星通信（卫星作为信号中继器、传播时延较大）
其他：红外线通信、激光通信等—信号指向性强

物理层接口的特性

机械特性：定义物理连接器的机械结构，如形状、尺寸、引脚排列等。
电气特性：规定电压范围、传输速率、传输距离等电气参数。
功能特性：说明信号电平的具体功能含义（如正电压代表“1”，负电压代表“0”）。
过程特性（规程特性）：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.3物理层设备

中继器
- 只有两个端口；通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一个端口（信号再生会产生一些时延）
- 仅支持半双工通信
- 两个端口对应两个“网段”
集线器
- 本质上是多端口的中继器。将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口
- 各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”
- 集线器的N个端口对应N个“网段”，各网段属于同一个“冲突域”
  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”