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
(2)速率
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)
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
2.常用的编码方法
(1)编码方法
(2)编码方法的特点
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
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
(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
(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
(4)以太网对有线传输介质的命名规则
- 速度+Base+介质信息
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
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。
- 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
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