计算机网络Ch2

第二章 物理层

一、通信基础基本概念

1.信源、信宿、信号、信道

(1)信源:信号的来源(即数据的发送方)

(2)信宿:信号的“归宿”(即数据的接收方)

(3)数据:即信息的实体(如:文字、声音、图像),在计算机内部数据通常是二进制

(4)信道:信号的通道

  • 注:一条物理线路通常包含两条信道,即发送信道、接收信道

(5)信号:数据的载体

  • 数字信号:信号值是离散的
  • 模拟信号:信号值是连续的

2.码元、速率、波特

(1)码元:每个信号是一个“码元”,信号周期称为码元宽度

  • 如果一个码元(即一个信号)可能有4种状态,那么可以称其为4进制码元(一个码元携带2bit的数据)
  • 类似地,如果一个码元(即一个信号)可能有8种状态,那么可以称其为8进制码元(一个码元携带3bit数据)
  • 如果出现K种可能的信号,则一个码元可携带 $ log_2K $ bit的数据
    用模拟信号设计4进制码元
    用数字信号设计4进制码元

(2)速率

  • 波特率
    • 每秒传输几个码元
    • 单位:码元/秒,或波特(Baud)
  • 比特率
    • 每秒传输几个比特
    • 单位bit/s,或b/s,bps
  • 若一个码元携带n比特的信息量,则波特率M Baud对应的比特率为Mn b/s

小结

第一节小结

二、信道的极限容量

1.带宽

(1)计算机网络中:

  • 表示某信道所能通过的“最高数据率”。
  • 单位:bps

(2)通信原理中:

  • 表示某信道允许通过的信号频带范围。
  • 单位:Hz

2.噪声

  • 对信道产生干扰,影响信道的数据传输速率。

3.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)极限波特率=2W(单位:波特,即码元/秒)
  • W是信道的频率带宽(单位:Hz)
  • 极限比特率=$2Wlog_2K \space b/s$

4.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
  • S/N:信噪比,无单位,信号的功率/噪声的功率,信号功率往往比噪声功率大得多
  • 为方便记录信噪比,信噪比$=10lgS/N$,单位:分贝(db)
    两个定理对比

小结

第二节小结

三、编码和调制

1.概念

(1)编码和解码

  • 编码:将二进制数据编码为数字信号
  • 解码:将数字信号解码为二进制数据

(2)调制和解调

  • 二进制数据调制为模拟信号
  • 模拟信号调制为二进制数据

(3)变换器:将二进制数据转换为信号

(4)反变换器:将信号转换为二进制数据

信号传输示意图

2.常用的编码方法

(1)编码方法

编码方法

(2)编码方法的特点

各种编码的特点

3.常见的调制方法

(1)调幅

  • 使信号幅度变化

(2)调频

  • 使信号频率变化

(3)调相

  • 使信号相位变化

(4)正交幅度调制

  • 既调频,又调相
    调制方法
    正交幅度调制

小结

第三节小结

四、传输介质

1.导向型传输介质

(1)双绞线

  • 主要构成:两根导线相互绞合而成
    • 有屏蔽层:屏蔽双绞线(STP)
    • 没有屏蔽层:非屏蔽双绞线(UTP)
  • 抗干扰能力:较好。绞合、屏蔽层 可以提升抗电磁干扰的能力
  • 代表应用:近些年的局域网线、早期电话线
    双绞线

(2)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。屏蔽层带来良好的抗干扰性
  • 代表应用:早期局域网、早期有线电视
    同轴电缆

(3)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;很细很省布线空间
    光纤

(4)以太网对有线传输介质的命名规则

  • 速度+Base+介质信息
    命名规则

2.非导向型传播介质

(1)无线电波

  • 特点:穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱
  • 如:手机信号、WIFI

(2)微波通信

  • 特点:频率带宽高、信号指向性强、保密性差(容易被窃听)
  • 如:卫星通信(卫星作为信号中继器,传播时延较大)

(3)其他:红外线通信、激光通信等————信号指向性强

3.物理层接口的特性

(1)机械特性

  • 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

(2)电气特性

  • 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制等

(3)功能特性

  • 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

(4)过程特性

  • 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

小结

第四节小结

五、物理层设备

1.中继器

  • 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,并转发至零一端口(信号再生会产生一段时间)
  • 仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据,会导致“冲突”)
  • 中继器两个端口对应两个“网段”

2.集线器

  • 本质上是多端口中继器。集线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”,处于同一个冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”

3.中继器、集线器的一些特性

(1)集线器、中继器不能“无限串联”————如10Base5的5-4-3原则

  • 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。
    5-4-3原则
  • 集线器连接的网络,物理上是星形拓扑,逻辑上是总线型拓扑
  • 集线器连接的网段“共享带宽”

小结

第五节小结


计算机网络Ch2
https://sdueryrg.github.io/2024/09/11/计算机网络Ch2/
作者
yrg
发布于
2024年9月11日
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