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物理层是干嘛使得#xff1f; 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流#xff0c;而不是指具体的传输媒体。 物理层主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性。定义标准可以理解为插排上的两孔三孔
机械特性#xff1a;定义物理连接…一、物理层概述
物理层是干嘛使得 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流而不是指具体的传输媒体。 物理层主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性。定义标准可以理解为插排上的两孔三孔
机械特性定义物理连接的特性规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。电气特性通常会有数字。规定传输二进制位时线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。例如某网络在物理层规定信号的电平用10V15V表示二进制0用−10V−15V表示二进制1电线长度限于15m以内功能特性不会出现数字出现含义、意义等。指明某条线上出现的某一电平表示何种意义接口部件的信号线的用途。例如描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时规程特性出现规程、时序。过程特性定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
二、数据通信基础一 QQ发送一段话在吗在干嘛多喝热水如何把人理解的一段话转化为机器所能理解的语言呢其实本质就是一系列1010的组合形式计算机网卡发出的电信号或者叫数字信号接下来需要经过一个调制解调器把这个数字信号转化为模拟信号。因为在公用电话网中有很多模拟信道而模拟信道中只能传输模拟信号不能传输数字信号那么就需要这么一个调制解调器进行信号的转换到了另一边则需要进行信号转换的逆过程同样需要调制解调器接下来计算机会把数据的比特流转成我们人类可以理解的语言形式。 专业名词描述输入端叫做信源信息的来源接下来数据会经过信源发送到发送器调制解调器接收端的可以叫做接收器中间公用电话网可以看作是一个传输系统。所以整个流程看作是源系统–传输系统–目的系统 数据data传送信息的实体通常是有意义的符号序列。 信号数据的电气/电磁的表现是数据在传输过程中的存在形式。通信的目的是传送消息消息语音、文字、图像、视频等。 数字信号/离散信号代表消息的参数的取值是离散的。 模拟信号/连续信号代表消息的参数的取值是连续的。 信源产生和发送数据的源头。 信宿接收数据的终点。 信道信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 信道按传输信号分为模拟信道传送模拟信号 数字信道传送数字信号 按传输介质分为无线信道 有线信道
数据通信需要考虑3个问题
通信双方的交互方式划分 单工通信广播仅需一条信道不会存在反方向交互半双工/双向交替通信对讲机需要两条信道双方都能发送和接收但不能同时进行全双工/双向同时通信打电话需要两条信道可以同时发送和接收信息 数据传输方式划分 串行传输一条信道发送一个字符8位二进制数【速度慢费用低适合远距离】并行传输八条信道同时发送8位二进制数【速度快费用高适合近距离】例如计算机的打印机、扫描仪接口 实现同步的传输/通信方式划分 同步传输连续的发送在同步传输的模式下数据的传送是以一个数据区块为单位因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时比如传送4个字节一个区块需先送出1个或多个同步字符SYN再送出整批的数据接收端在接收的时候发现这几个同步字符就可以准备接收了。异步传输不是连续的将比特分成小组进行传送小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时加一个字符起始位和一个字符终止位。常见例子就是在键盘上敲数字不知道什么时候才会触发。
三、数据通信基础二
码元是指用一个固定时长的信号波形数字脉冲代表不同离散数值的基本波形是数字通信中数字信号的计 量单位这个时长内的信号称为k进制码元而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时M大于2 此时码元为M进制码元。 1码元可以携带的多个比特的信息量。例如在使用二进制编码时只有两种不同的码元一种代表0状态另一种代 表1状态。 速率也叫数据率是指数据的传输速率表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
码元传输速率码速。单位时间内数字通信系统传输的码元个数脉冲变化次数单位是baud数字信号有多进制和二进制之分但码元速率与进制数无关只与码元长度T有关信息传输速率比特率。单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数比特数单位是bit/s若一个码元携带n bit的信息量则M baud的码元传输速率是M × n bit/s 某一数字通信系统传输的是四进制码元,4s传输了8000个码元,求系统的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少? 若另一通信系统传输的是十六进制码元,6s传输了7200个码元,求他的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?并指出哪个系统传输速快? 结论2000Baud4000b/s1200Baud4800b/s十六进制更快 四进制码元系统 码元传输速率就是8000/42000Baud信息传输速率就是2000×24000b/s 十六进制码元系统 码元传输速率就是7200/61200Baud信息传输速率就是1200×44800bit/s 系统传输的是比特流通常比较的是信息传输速率所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快。 什么是带宽更大带宽更大的信息传送能力
模拟信号系统带宽在一个模拟信号系统里当你输入的信号频率过高或过低以至于输出信号强度减弱到只剩原来一半这是个关键点叫作-3dB点那么这两个特定频率之间的差距就是这个系统的“带宽”。就好比一段水管能有效输送水流的最大宽度它的计量单位是赫兹Hz。数字设备带宽在数字世界中带宽就像一条信息高速公路的车道宽度它衡量的是单位时间内从网络一端传送到另一端的最大信息量或者说是一秒钟内能通过的数据包数量。这里的带宽用“比特每秒”bps来衡量直接反映了网络线路传输数据的能力大小。
奈氏准则和香农定理
首先引入一个数据失真的概念性问题什么是数据失真失真有哪几种情况失真的影响因素有哪些 在真实的信道中肯定会遇到一些带宽受限的信道干扰噪声干扰媒体质量传输距离等导致在接收端就会收到很难识别的信号波形不知道传过来的是1还是0。 上图2中左边对应的是信号带宽并不是所有的信号都能通过电话线调制进行传播中间两个可以通过的最高和最低的频率HZ之差就是信道的带宽了。第一个不能通过的原因是震动太低在传输的过程中衰减到不能传输第四种是因为震动的次数和频率太快导致接收端不能区分波形之间的差异就会导致码间串扰的现象。【接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象】
那为了解决码间串扰的问题就引入了奈氏准则
奈氏准则在理想低通无噪声带宽受限条件下为了避免码间串扰极限码元传输速率为2W BaudW是信道带宽单位是Hz。 每个通信通道都有传送码元的“速度极限”如果超速了就像车开太快容易出车祸一样码元之间会互相干扰码间串扰这样一来接收方就很难甚至无法准确地把原本发送的每个码元分开来。 信道好比一条高速公路它的宽度越大频带越宽就能同时容纳更多快速行驶的“码元车辆”。也就是说频带越宽的信道能支持更快的码元传输速度。 奈氏准则就像交通规则它规定了在理想情况下码元不能超过的最大传输速度但这个规则只管单个码元的速度并没有直接说在这条路上究竟能运输多少货物信息量。 要提升信息传输效率就好比要想办法在有限的车流量码元速率下运载更多的货物信息。那么我们就得改进“装载方式”比如让每一辆车码元装更多的包裹比特。这就像多元制调制技术那样通过改变码元的状态组合使得单个码元能携带更多信息比特从而间接提高整个数据传输速率。 例题在无噪声的情况下若某通信链路的带宽为3kHz采用4个相位每个相位具有4种振幅的QAM调制技术则该通信链路的最大数据传输率是多少 解答采用4个相位和4种振幅那就是有调向和调幅16种变化对应16种码元。最大数据传输率2 x 3k x424kb/s 香农定理不仅定义了在信道中传输的比特极限传输速率而且考虑到了实际会存在的电磁干扰和噪声影响噪声影响是相对的实时噪声是瞬时的随机的可能对码元的判断是致命的但信号强影响又很小需要信噪比参数来衡量 信道的带宽或信道中的信噪比越大则信息的极限传输速率就越高。 信道好比是一条公路带宽就像是路的宽度信噪比就像是路上汽车与背景噪音的比例。路越宽噪音越小汽车跑得就越快所以信息传输的速度好比汽车运送货物的速度就能提得更高。 对一定的传输带宽和一定的信噪比信息传输速率的上限就确定了。 固定了路的宽度和噪音水平就像给这条路设定了一个最快行车速度限制。在这个限制内信息传输的最快速度也就被确定下来了。 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。 只要开车的速度不超过这条“信息公路”的最高限速就总能找到合适的方法确保货物信息安全、准确送达目的地不会出错。 香农定理得出的为极限信息传输速率实际信道能达到的传输速率要比它低不少。 香农定理揭示了在最优条件下信息公路能达到的理论最高速度但实际上由于种种现实原因实际驾驶过程中我们往往达不到这个理论上的最高速度。 从香农定理可以看出若信道带宽W或信噪比S/N没有上限不可能那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。 幻想一下如果有无限宽的路无限带宽和绝对安静无噪音的环境无穷大的信噪比那这条信息公路理论上就没速度上限了想多快就能多快。不过现实中这两种条件都是不可能实现的。 例题电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz信噪比为30dB则该系统最大数据传输速率是多少 解答信噪比30dB根据信噪比公式可得S/N1000最大数据传输速率3000Hz×log2(11000)≈30kb/s 奈氏准则【内忧】更像是分析了一个理想课堂环境下的情况其中假设老师信号源发出的声音非常清晰、稳定且不受限制而学生能否听清楚主要是取决于相邻同学之间的说话声码间串扰即信道自身的物理特性是否会导致信号失真。换句话说奈氏准则主要关注的是码元每个独立信号单元传输速率的上限并且是在没有噪声的理想条件下讨论的。
香农定理【外患】则更加全面地考虑了课堂的实际复杂性不仅包括了学生们相互之间的噪音干扰噪声还考虑到了老师讲话音量的大小以及教室的扩音效果等因素相当于信号功率和信噪比它指出即使存在噪声在一定信噪比和带宽条件下仍有一个理论上能达到的最佳信息传输速率。因此香农定理提供了一个在现实噪声环境中如何最大化有效信息传输的理论指导。
四、数据编码和调制
信道上传输的信号 基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示再送到数字信道上去传输基带传输。来自信源的信号像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号比如我们说话的声波就是。 宽带信号将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号再传送到模拟信道上去传输宽带传输。把基带信号经过载波调制后把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输即仅在一段频率范围内能够通过信道。 在传输距离较近时计算机网络采用基带传输方式近距离衰减小从而信号内容不易发生变化 在传输距离较远时计算机网络采用宽带传输方式远距离衰减大即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号
【编码数据—数字信号调制数据—模拟信号】
数字数据编码为数字信号【前瞻知识点码元传输速率既可以是一秒传输的码元个数或者是脉冲个数或者是信号变化的次数】 非归零编码【NRZ】高1低0 编码容易实现但没有检错功能且无法判断一个码元的开始和结束以至于收发双方难以保持同步。 曼彻斯特编码高到低1低到高0 差分曼彻斯特编码同1异0-虚线两边的信号指向下一个码元 如何理解曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 曼彻斯特编码在一个码元周期的中间如果发生高到低的跳变则代表当前码元信息是1否则低到高代表0在一个码元信息里半周期跳变位置处传递的是数据0/1信息而特定时刻发生跳变则提供给接收端知道这是下一个比特开始的位置从而实现了位同步。 差分曼彻斯特编码在一个码元周期的起始边界有电平跳变代表异0没有跳变则表示同1数据信息存在码元边界的跳变中指向下一个码元。 总结就是曼彻斯特编码依据的是码元周期中间电平是否从高到低或从低到高变换差分曼彻斯特编码则是看码元周期的起始边界是否有电平跳变。 归零编码【RZ】 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。 反向不归零编码【NRZI】 在NRZI编码中信号电平翻转代表逻辑“0”信号电平保持不变代表逻辑“1”。如果前一个比特是“1”并且下一个比特也是“1”则信号电平保持不变如果下一个比特是“0”则信号电平会发生反转。 4B/5B编码 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1就是用5个比特来编码4个比特的数据之后再传给接收方因此称为4B/5B。编码效 率为80%。只采用16种对应16种不同的4位码其他的16种作为控制码帧的开始和结束线路的状态信息等或保留。
调制解调器的调制 2ASK调幅【0没有幅度1有幅度】 2FSK调频【0对应低频1对应高频】 2PSK调相【0对应正弦波1对应余弦波】 例题某通信链路的波特率是1200Baud采用4个相位每个相位有4种振幅的QAM调制技术则该链路的信息传输速率是多少 调幅调相QAM解答4×416种码元对应2^4四种比特1200×44800bit/s 模拟数据编码为数字信号【前瞻知识点音频数字化需要将模拟音频信号通过采样量化转成计算机内部可处理的二进制数字离散序列】
最常见的对音频信号进行编码的脉码调制PCM达到最高保真的水平其中主要分为三步
抽样每个时间周期内进行电压和电平的抽样【离散点】要求是采样定理f采样频率≥ 2f信号最高频率量化把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。编码把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
五、数据交换方式
在计算机网络世界中由于网络并不直接相连切不同主机的分布很分散从主机A到主机C需要经过类似于邮局B的网络路由器或交换机来进行数据的转发和传输而网络层主要的功能就是保证数据包从发送端准确无误的发送到目标主机。
数据交换的几种方式 电路交换 原理就像打电话先拨号建立一条从源到目的地的专用物理连接通道一旦连接建立起来双方就可以持续、稳定地通话。数据在网络中是以连续流的形式传输的 优点由于通信双方基于建立的物理通路因此时延小且固定服务质量Qos高全双工通信适合实时性要求高的语音和视频通信 缺点线路的利用率不高不传输也不能被其他用户使用灵活性差出现故障需要重新拨号建立连接无法发现和纠正传输差错无法进行差错控制建立连接需要时延 报文交换
原理类似于邮局寄信每个完整的“信件”报文携带目标地址依次经过各个交换节点转发至目的地不需要预先建立连接 优点类似于电子邮件无需建立连接无建立连接时延动态分配线路多个报文可共享信道 缺点实时性差时延大且不稳定需要网络节点提供足够的缓冲区 分组交换
原理将大数据分割成若干个小的数据包分组每个分组都有源地址、目的地址等信息独立进行路由选择并在接收端重新组装成原始数据。 优点线路利用率高多路复用多个分组可共享信道无建立时延用户随时发送分组分组较小适用于计算机之间的突发式数据通信因为较小的分组可以更快的通过网络同时采用流水线式处理加快整体传输速度缓冲区因为分组大小确定也固定易管理。 缺点分组失序、丢失和重复问题那接下来的去重排序就需要额外耗时每个分组的头部信息增加了网络开销
具体什么场景下使用何种方式 电路交换适用于需要连续、低延迟服务的应用传送数据量大且传送时间远大于呼叫 报文交换更适合于异步、大量数据传输但对时延要求不高的场景当端到端的通路有很多段的链路组成时 分组交换则是一种更为通用、高效且灵活的方式广泛应用于现代互联网和其他数据通信网络中。适合于计算机之间突发式的数据通信。
六、物理层介质和设备
在整个数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质分为导向性传输介质和非导向性传输介质
导向性传输介质 双绞线 两根按一定规则并排绞合的铜导线组成绞合的目的是降低相邻导线间的电磁干扰。 优点是常用且造价便宜可以应用于模拟传输和数字传输。 缺点是距离过长时数字传输要中继器整形失真数据模拟信号要用放大器放大衰减信号。 同轴电缆 由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层组成。50Ω基带同轴电缆【局域网】用来传送基带数字信号75Ω宽带同轴电缆【有线电视】用来传送宽带信号。 优点是抗干扰能力强传输距离更远但是造价也更贵。 光纤 光导纤维通过通过光脉冲【有-1无-0】来进行通信又分为单模光纤和多模光纤。 光纤的特点是传输损耗小体积小重量轻。远距离性价比高抗雷电和电磁干扰性能好。安全性高不易被窃听或截取数据。
非导向性传输介质无线电波、微波、红外线、激光 物理层设备之中继器
信号传输损耗信号在传输过程中会因为损耗而逐渐衰减当衰减到一定程度时会导致信号失真进而引起接收错误。中继器功能中继器可以对衰减的信号进行再生和放大保持信号与原始数据相同以此来增加信号的传输距离延长网络的长度。
物理层设备之中继器
对信号进行再生放大转发对衰减的信号进行放大接着转发到其他所有除输入端口外处于工作状态的端口上以增加信号传输的距离延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力是一个共享式设备。
