计算机网络-物理层

通信基础的基本概念

信源

信息的来源（数据的发送方）

信宿

信号的“归宿”（数据的接收方）

信道

信号的通道

一条物理路线通常包含两条信道，即发送信道和接收信道

数据

信息的实体，在计算机内部数据通常是二进制

信号

数据的载体

1、数字信号：信号值是离散的（基带信号是数字信号）

2、模拟信号：信号值是连续的

信道的极限容量

噪声

对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理

适用于理想的低通信道（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）（1 码元 = logK bit ）

极限比特率 = 2W logK （单位：b/s，即比特/秒）

W：信道的频率带宽（单位：Hz），表示某信道允许通过的信号频带范围

奈奎斯特定理说明：

如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元

带宽越大，信道传输码元的能力越强

奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

例题

1、在一条带宽为 200 kHz 的无噪声信道上，若采用 4 个幅值的 ASK 调制，则该信道的最大数据传输速率是( )

A.200 kbps B.400 kbps C.800 kbps D. 1600 kbps

极限比特率=2×200kbps×log4=800kbps

香农定理

对于一个有噪声、带宽有限的信道

极限比特率 = W log(1+S/N) （单位：bps）

W：是信道的频率带宽（单位：Hz）

信噪比

信噪比 = = 信号的功率/噪声的功率 （无单位）
信噪比 = $10\log_{10}S/N$ （单位：dB(分贝)）

信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小

香农定理说明：

提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率

结合奈奎斯特定理可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

例题

1、若连接 R2 和 R3 链路的频率带宽为 8kHz，信噪比为 30dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的 50%，则该链路的实际数据传输速率约是( )

A. 8kbps B. 20kbps C. 40kbps D.80kbps

S/N=1000

极限比特率=8kHz×log(1+1000)≈80kHz

实际传输速率=80×50%=40kbps

编码与调制

例题：

1、使用两种编码方案对比特流01100111进行编码的结果如下图所示，编码1和编码2分别是( )

A. NRZ 和曼彻斯特编码 C. NRZI 和曼彻斯特编码

B. NRZ 和差分曼彻斯特编码 D. NRZI 和差分曼彻斯特编码

2、下图是某比特串的曼彻斯特编码信号波形，则该比特串为( )

A. 00110110 B.1010 1101 C. 01010010 D.1100 0101

基带信号：来自信源的数字信号，需调制后才能在某些信道上传输

调幅 AM 又名：幅移键控（ASK）
调频 FM 又名：频移键控（FSK）
调相 PM 又名：相移键控（PSK）

传输介质

常用的传输介质：

导向型：双绞线、同轴电缆、光纤（信号朝着固定方向传播）
非导向型：无线传输介质（信号朝着四面八方传播）

有线传输介质

双绞线

主要构成：

两根导线相互绞合而成（像缠绕起来的麻花）

① 屏蔽双绞线(STP)：有屏蔽层

② 非屏蔽双绞线(UTP)：无屏蔽层

抗干扰能力：

较好。绞合、屏蔽层都可以提升抗电磁干扰的能力

代表应用：

近些年的局域网、早期电话线

提高绞合度、增加屏蔽层的好处：

① 抗电磁干扰能力强

② 信道噪声功率低

③ 信道极限速率高

同轴电缆

内导体一般都是以铜作为主要材料，内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

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)

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

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

①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，信号传输耗损小

特点： 纤芯更细，直径小于一个波长，只能传输一条光线，信号传输损耗低。适合远距离传输

②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

特点：纤芯更粗，可同时传输多条光线，信号传输损耗更高，适合较近距离传输

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

以太网对有线传输介质的命名规则：

Baseband：基带传输，即传输数字信号（采用曼彻斯特编码）

格式：速度 + Base + 介质信息

10Base5：10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m

10Base2：10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m（实际是185）

10BaseF*：10Mbps，光纤（*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP）

10BaseT*：10Mbps，双绞线（*可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1L）

无线传输介质

无线电波

特点：

穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱

代表应用：

手机信号、WiFi

微波通电

特点：

频率带宽高、信号指向性强、保密性差（容易被窃听）

代表应用：

卫星通信（卫星作为信号中继器，传播时延较大）

其他无线传输介质

红外线通信、激光通信：信号指向性强

无线传输介质本质上都是用电磁波

电磁波的公式： $C=\lambda F$ ，C为光速，入为波长，F为频率

电磁波频率、波长呈反比关系
频率越高，数据传输能力越强
波长越短，“信号指向性”越强，信号越趋于直线传播；波长越长，“绕射性”越好，也就是信号“穿墙”能力越强

结论:

长波更适合长距离、非直线通信
短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站
短波信号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源

物理层接口的特性

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
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
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现频率

物理层设备

若传输距离过长，数字信号会失真

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，并转发至另一端口（信号再生会产生一些时延）
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”

信号的整形再生：

中继器接收到信号后，会将低电平整形为1v，将高电平整形为5v，然后再输出

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”冬网段属千同一个冲突域

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”

一个更大的冲突域（碰撞域）

例题

1、在下图所示的网络中，冲突域的个数是( )

A.2 B.2 C.4 D.4

结论：集线器不能“隔离”冲突域，以太网交换机可以隔离”冲突域

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
集线器连接的各网段“共享带宽”：如：带宽为 10Mbps 的集线器，连接 8 台主机，每台主机平均只拥有 1.25Mbps 带宽
中继器、集线器不能连接物理协议不同的网段，也不能连接速率不同的网段