物理層

物理層的基本概念

在計算機網絡中，用來鏈接各類網絡設備的傳輸媒體種類衆多。git

大體能夠分爲兩類：一類是導引型傳輸媒體，另外一類是非導引型傳輸媒體。網絡

導引型傳輸媒體中，常見的有：雙絞線、同軸電纜、光纖。異步

非導引型傳輸媒體中，常見的是微波通訊（2~40GHz）。編碼

而物理層就是要解決在各類傳輸媒體上傳輸比特和1的問題。進而給數據鏈路層提供透明傳輸比特流的服務。spa

所謂"透明"是指數據鏈路層看不見也無需看見物理層究竟使用的什麼方法來傳輸比特0和1的。它只管享受物理層提供的比特流服務便可。計算機網絡

物理層爲了解決在各類傳輸媒體上傳輸比特0和1的問題，主要有如下四個任務：code

• 機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置。
• 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
• 功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
• 過程特性：指明對於不一樣功能的各類可能事件的出現順序。

物理層下面的傳輸媒體

導引型傳輸媒體

在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體傳播。接口

常見的導引型傳輸媒體有：同軸電纜、雙絞線、光纖、電力線。事件

同軸電纜rem

雙絞線

光纖

光纖的工做原理

電力線

非導引型傳輸媒體

非導引型傳輸媒體是指自由空間。

可以使用的電磁波有：無線電波，微波，紅外線，可見光。

無線電波

微波

紅外線

傳輸方式

串行傳輸和並行傳輸

串行傳輸：數據是一個比特一個比特依次發送的，所以在發送端與接收端之間，只須要一條數據傳輸線路便可。

並行傳輸：一次發送n個比特，所以，在發送端和接收端之間須要有n條傳輸線路；並行傳輸的優勢是比串行傳輸的速度n倍，但成本高。

數據在傳輸線路上的傳輸採用是 串行傳輸，計算機內部的數據傳輸經常使用 並行傳輸

同步傳輸和異步傳輸

同步傳輸：

• 數據塊以穩定的比特流的形式傳輸。字節之間沒有間隔
• 接收端在每一個比特信號的中間時刻進行檢測，以判別接收到的是比特0仍是比特1
• 因爲不一樣設備的時鐘頻率存在必定差別，不可能作到徹底相同，在傳輸大量數據的過程當中，所產生的判別時刻的累計偏差，會致使接收端對比特信號的判別錯位

因此要使收發雙發時鐘保持同步。

收發雙方時鐘同步的方法有兩種：

• 外同步：在收發雙方之間添加一條單獨的時鐘信號線，接收端按照時鐘同步信號的節奏來接收數據。
• 內同步：發送端將時鐘同步信號編碼到發送數據中一塊兒傳輸（例如曼切斯特編碼）

異步傳輸：

• 以字節爲獨立的傳輸單位，字節之間的時間間隔不是固定
• 接收端僅在每一個字節的起始處對字節內的比特實現同步
• 一般在每一個字節先後分別加上起始位和結束位

單向通訊、雙向交替通訊、雙向同時通訊

單向通訊：

又稱爲單工通訊，即只能有一個方向的通訊而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電以及電視廣播就屬於這種類型。

雙向交替通訊：

又稱爲半雙工通訊，即通訊的雙方能夠發送信息，但不能雙方同時發送（固然也就不能同時接收）。這種通訊方式使一方發送另外一方接收，過一段時間後能夠再反過來。

雙向同時通訊：

又稱爲全雙工通訊，即通訊的雙發能夠同時發送和接收信息。

單向通訊只須要一條信道，而雙向交替通訊或雙向同時通訊則須要兩條信道（每一個方向各一條）

雙向同時通訊的傳輸效率最高。

編碼與調製

經常使用術語

• 數據 (data) —— 運送消息的實體。
• 信號(signal) —— 數據的電氣的或電磁的表現。
• 模擬信號 (analogous signal) —— 表明消息的參數的取值是連續的。
• 數字信號 (digital signal) —— 表明消息的參數的取值是離散的。
• 碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱爲時域）的波形表示數字信號時，表明不一樣離散數值的基本波形。
• 基帶信號（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號。像計算機輸出的表明各類文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。基帶信號每每包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻份量或直流份量。所以必須對基帶信號進行調製 (modulation)。

在計算機網絡中，常見的是將數字基帶信號經過編碼或調製的方法在相應信道進行傳輸。

經常使用編碼

不歸零編碼

• 正電平表示比特1/0
• 負電平表示比特0/1

中間的虛線是零電平，所謂不歸零編碼，就是指在整個碼元時間內，電平不會出現零電平。

這須要發送方的發送與接收方的接收作到嚴格的同步

• 須要額外一根傳輸線來傳輸時鐘信號，使發送方和接收方同步，接收方按時鐘信號的節拍來逐個接收碼元
• 可是對於計算機網絡，寧願利用這根傳輸線傳輸數據信號，而不是傳輸時鐘信號

因爲不歸零編碼存在同步問題，所以計算機網絡中的數據傳輸不採用這類編碼。

歸零編碼

每一個碼元傳輸結束後信號都要"歸零"，因此接收方只要在信號歸零後進行採樣便可，不須要單獨的時鐘信號。

實際上，歸零編碼至關於把時鐘信號用"歸零"方式編碼在了數據以內，這稱爲"自同步"信號。

可是歸零編碼中大部分的數據帶寬，都用於傳輸"歸零"而浪費掉了。

歸零編碼雖然 自同步，但 編碼效率低

曼切斯特編碼

在每一個碼元時間的中間時刻，信號都會發生跳變

• 負跳變表示比特1/0
• 正跳變表示比特0/1
• 碼元中間時刻的跳變即表示時鐘，又表示數據

傳統以太網使用的就是曼切斯特編碼

差分曼徹斯特編碼

在每一個碼元時間的中間時刻，信號都會發送跳變，但與曼徹斯特不一樣

• 跳變僅表示時鐘

• 碼元開始處電平是否變換表示數據

  • 變化表示比特1/0
  • 不變化表示比特0/1

比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率

調製

基本調製方法

• 調幅AM：所調製的信號由兩種不一樣振幅的基本波形構成。每一個基本波形只能表示1比特信息量
• 調頻FM：所調製的信號由兩種不一樣頻率的基本波形構成。每一個基本波形只能表示1比特信息量
• 調相PM：所調製的信號由兩種不一樣初相位的基本波形構成。每一個基本波形只能表示1比特信息量

可是使用基本調製方法，1個碼元只能包含1個比特信息。

混合調製

那麼如何能使1個碼元包含更多的比特呢？

能夠採用混合調製的方法，由於頻率和相位是相關的，也就是說，頻率是相位隨時間的變化率。因此一次只能調製頻率和相位兩個中的一個。

一般狀況下，相位和振幅能夠結合起來一塊兒調製，稱爲正交振幅調製QAM。

正交振幅調製QAM

QAM-16

• 12種相位
• 每種相位有1種或者2種振幅可選
• 能夠調製出16種碼元（波形），每種碼元能夠對應表示4個比特
• 碼元與4個比特的對應關係採用格雷碼
• 任意兩個相鄰碼元只有一個比特不一樣

信道的極限容量

任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各類失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。

失真的緣由：

• 碼元傳輸的速率越高
• 信號傳輸的距離越遠
• 噪聲干擾越大
• 傳輸媒體質量越差

奈氏準則和香農公式對比：