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物理层要实现的功能是在各种传输媒体上传输比特0和1,进而给其上面的数据链路层提供透明传输比特流的服务。
常见的传输媒体有双绞线、同轴电缆、光缆以及各种波段的无线信道等。
机械特性
机械特性规定了接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列以及固定和锁定装置等。
电气特性
电气特性规定了在接口电缆的各条线上传输比特流时,信号电压的范围、阻抗匹配情况以及传输速率和距离限制等。
功能特性
功能特性规定接口电缆的各条信号线的作用。信号线一般分为数据线、控制线、时钟线以及地线。
过程特性
过程特性规定了在信号线上进行比特流传输的一组操作过程,包括各信号间的时序关系。
传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路,也称为传输介质或传输媒介。
传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。
同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层以及外部保护层组成。
由于外屏蔽层的作用,同轴电缆具有很好的抗干扰性,被广泛应用于高速率数据传输。
同轴电缆一般分为两类:
同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现,在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。
把两根相互绝缘的铜导线按一定密度互相绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合有两个作用:
在实际使用中,往往将多对双绞线一起包在一个绝缘保护套内,称为双绞线电缆。
为了进一步提高双绞线电缆抗电磁干扰的能力,在双绞线电缆的绝缘保护套内,在多对相互绝缘的双绞线的外面,再包裹一层用金属丝编织成的屏蔽层,就构成了屏蔽双绞线(STP)电缆。
双绞线既可以用于模拟传输,也可以用于数字传输。使用双绞线的通信距离一般为几到十几千米。
光纤通信是利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信的。
有光脉冲相当于比特1,而没有光脉冲相当于比特0。由于可见光的频率非常高(约为10^8 MHz量级),因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
纤芯非常细,其直径只有8~100um(1um=10^-6 m)。纤芯外面的包层也比较细,其直径不超过125um。
当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角大于入射角。如果入射角足够大,京就会出现全反射,即光碰到包层时,就会反射回纤芯。
可以有入射角大于临界角的多条不同入射角的光波,在同一条光纤中传输,这种光纤称为多模光纤,只适合近距离传输。
如果将光纤的直径减小到只有一个光的波长,则光纤就像一根波导那样,它可以使光波一直向前传播,而不会产生多次反射,这种光纤称为单模光纤,适合远距离传输。
光纤的主要优点如下:
光纤的主要缺点是:对光纤进行割接需要专用设备,并且目前光电接口还比较昂贵。
利用无线电波在自由空间的传播,可以快速、方便和灵活地实现多种无线通信。
自由空间就是无线通信所使用的非导向型传输媒体。
无线电波
无线电波(LF、MF、HF和VHF频段)很容易产生,并且传播距离很远。因此,无线电波被广泛用于通信领域。
微波
微波的频率范围是300MHz~300GHz(波长1m~1mm),目前主要使用2~40GHz的频率范围。
微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间,因此它不像HF和VHF波段的无线电波那样,可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。
传统的微波通信主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信。
红外线
红外通信属于点对点无线传输,传输距离短,传输速率也很低,并且中间不能有障碍物。
激光
激光是一种新型光源,具有亮度高、方向性强、单色性好以及相干性强等特征。
按传输媒体的不同,可分为大气激光通信和光纤通信。
可见光
可见光通信是利用可见光来实现无线通信,主要依靠发光二极管发出的、肉眼看不到的、高速明暗闪烁信号来传输信息。
可见光通信具有传输速率高、保密性强、无电磁干扰以及无须频谱认证等优点,是理想的室内高速无线接入方案之一。
串行传输,在发送端和接收端之间只有一条数据传输线路,构成数据的多个比特,在这条数据传输线路上逐比特依次传输。
并行传输,在发送端和接收端之间有多条数据传输线路,构成数据的多个比特,被分别安排在不同的数据传输线路上同时传输。
对于串行传输和并行传输,若比特在单条数据传输线路上的数据传输速率相同,则并行传输的数据传输速率,是串行传输的数据传输速率的n倍。
倍数n取决于并行传输所采用的数据传输线路的数量,也称为数据总线宽度,常用的有8位、16位、32位以及64位。
计算机中的网卡,同时具有串行传输和并行传输方式。
同步传输方式以比特位传输单位,数据块以比特流的形式传输,字节之间没有间隔,也没有起始位和终止位。
同步传输要求收发双方,对表示比特信号的时间长度达成一致,即同步。
收发双方时钟同步的方法:
异步传输方式以字节为传输单位,但字节之间的时间间隔并不固定,接收端只在每个字节的起始出对字节内的比特实现同步。
异步传输一般要给每个字节添加起始位和结束位。
注:异步指字节之间异步(即字节之间的时间间隔不固定),但字节内的每个比特仍要同步(即各比特的持续时间是相同的)。
单向通信是指只能有一个方向的通信,也就是没有双向的交互,又称为单工通信。
无线电广播和电视广播等都属于单向通信。
双向交替通信是指通信双方都可以发送信息和接收信息,但对于任何一方,发送信息和接收信息不能同时进行,又称为半双工通信。
对讲机之间、总线型以太网上的各主机之间,都属于双向交替通信。
双向同时通信是指通信双方都可以同时发送信息和接收信息,又称为全双工通信。这种通信方式的任何一方,可以同时发送信息和接收信息。
传统有线电话之间、交换式以太网上的各主机之间,都属于双向同时通信。
注1:单向通信只需要一条信道,而双向交替通信或双向同时通信,都需要两条信道,每个方向各一条。
注2:“单工电台”中的“单工”,表示的是“双向交替通信”,并不表示单向通信。
在计算机网络中,需要由计算机处理和传输的文字、图片、音频和视频等内容,可以统称为消息(message)。
消息输入计算机后,就成为了有意义的符号序列,即数据(data)。可以将数据看作运送消息的实体。
计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的信号(signal)发送到传输媒体。因此,可将信号看作数据的电磁表现。
数据和信号都有模拟或数字之分,模拟数据(或模拟信号)的取值是连续的,数字数据(或数字信号)的取值是离散的。
注1:模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值,例如温度、压力,以及在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。
注2:数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值,例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。
由信源发出的原始信号称为基带信号,也就是基本频带信号。例如,由计算机输出的表示各种文字、图像、音频或视频文件的数字信号都属于基带信号。
基带信号往往包含较多的低频成分,甚至包含(由连续个“0”或连续个“1”造成的)直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。
因此,需要对基带信号进行调制(modulation)后才能在信道上传输。
调制可分为基带调制和带通调制。
基带调制
对数字基带信号的波形进行变换,使其能够与信道特性相适应,调制后的信号仍然是数字基带信号。
由于基带调制是把数字信号转换成另一种形式的数字信号,因此基带调制也称为编码(coding,即下文中的常用编码方式)。
带通调制
将数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号,使其能够在模拟信道中传输。
信息的编码单元称为码元。
即,在使用时间域的波形表示信号时,代表不同离散数值的基本波形称为码元。
一个码元所能携带的信息量(即构成离散数值的比特数量)不是固定的,而是取决于编码方式和调制方式。
速率是指数据传输速率,表示单位时间内传输的数据量,常有两种描述形式。
1Baud表示数字通信系统每秒传输1个码元。码元既可以是多进制的,又可以是二进制的,码元速率与进制数无关。
波特率与比特率有一定的关系:
在模拟信号系统中,带宽(又称频率带宽)用来表示某个信道所能传输信号的频率范围,即最高频率与最低频率之差,单位是赫兹(Hz)。
注:此时带宽的单位是Hz,而不是b/s。
常用编码方式有:不归零制、归零制、曼彻斯特编码以及差分曼彻斯特编码等。
不归零编码是指信号在每个码元期间不会回归到零电平。
不归零编码的编码效率最高,但是存在收发双方的同步问题。为了解决同步问题,需要给收发双发再添加一条时钟信号线。
归零编码是指信号在每个码元期间会回归到零电平。
于每个码元传输后信号都会归零,所以接收方只要在信号归零后采样即可。
归零编码相当于将时钟信号编码在了数据之内,通过数据信号线进行发送,而不用单独的时钟信号线来发送时钟信号。因此,采用归零编码的信号也称作自同步信号。
归零编码的缺点是大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。
NRZ编码的区别是用电平的跳变表示0,电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点,既能传输时钟信号,又能尽量不损失系统带宽。
曼彻斯特编码在每个码元的中间时刻电平都会发生跳变。电平的跳变既表示时钟信号,也表示数据。
向下跳变表示1还是0,以及向上跳变表示0还是1,可以自行定义。
曼彻斯特编码信号属于自同步信号。
注:曼彻斯特编码的每个比特需要两个信号周期,信号率是数据率的两倍。
差分曼彻斯特编码在每个码元的中间时刻电平都会发生跳变。
与曼彻斯特编码不同的是,电平的跳变仅表示时钟信号,而不表示数据。
数据的表示在于每一个码元开始处是否有电平跳变:无跳变表示1,有跳变表示0。
注:标准以太网使用的就是曼彻斯特编码,而差分曼彻斯特编码则被广泛用于宽带高速网中。
主要包括三个步骤,即采样、量化和编码,常用于对音频信号进行编码的PCM编码。
采样定理:在将模拟信号转换成数字信号时,假设原始信号中的最大频率为 f f f,那么采样率 f 采样 f_{采样} f采样采样必须大于或等于最大频率 f f f的2倍,才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息(只需记住结论)。
采样定理又称奈奎斯特定理。
调幅
调幅(AM)是让载波的振幅随基带数字信号的变化而变化。例如,有载波输出表示1,无载波输出表示0。
调频
调频(FM)就是让载波的频率随基带数字信号的变化而变化。例如,用频率f1表示1,用另一个频率f2表示0。
调相
调相(PM)就是让载波的初相位随基带数字信号的变化而变化。例如,0相位表示0,180相位表示1。
为了提高数据传输速率,可以使用技术上更为复杂的混合调制方法,使1个码元可以表示多个比特的信息量。
因为载波的频率和相位是相关的,即频率是相位随时间的变化率,所以载波的频率和相位不能进行混合调制。通常情况下,载波的相位和振幅可以结合起来一起调制,例如正交振幅调制QAM 。
12种相位;每种相位有1或2种振幅可选。
每个星座点就是一个码元,它与圆心的连线可看作振幅,它与横轴的夹角可看作相位。
由于QAM-16可以调制出16种不同的码元(基本波形),则每个码元可以表示4个比特的信息量( log 2 16 = 4 \log_2 16=4 log216=4)。
每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码进行编码,即任意两个相邻码元只有1个比特不同。
为了实现传输的有效性,可能需要较高的频率。这种调制方式还可使用频分复用(FDM)技术,充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。
任何实际的信道都不是理想的,信号在信道上传输时不可避免地会产生失真。
如果信号失真不严重,则接收端可以从失真的信号波形中识别出原来的信号。如果信号失真比较严重,则接收端无法从严重失真的信号波形中识别出每个码元。
造成信号失真的主要因素如下:
信道上传输的数字信号,可以看做是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。
如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道,则接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭,每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样,在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限,这种现象称为码间串扰。
如果信道的频带越宽,则能够通过的信号的高频分量就越多,那么码元的传输速率就可以更高,而不会导致码间串扰。然而,信道的频率带宽是有上限的,不可能无限大。因此,码元的传输速率也有上限。
奈氏准则
理想低通信道最高码元传输速率
=
2
W
B
a
u
d
=
2
W
(
码元
/
每秒
)
理想低通信道下的极限数据传输速率
=
2
W
log
2
V
(
b
/
s
)
理想低通信道最高码元传输速率=2W\ \ Baud=2W\ \ (码元/每秒) \\理想低通信道下的极限数据传输速率=2W\log_2V\ \ (b/s)
理想低通信道最高码元传输速率=2W Baud=2W (码元/每秒) 理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V (b/s)
W是理想低通信道的频率带宽,单位为Hz;Baud是波特,是码元传输速率的单位,即码元/秒;V是码元的离散电平数目(即有多少种码元,若有16种码元,则需要4个二进制位)。
使用奈氏准则给出的公式,就可以根据信道的频率带宽,计算出信道的最高码元传输速率。
只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限,就可以避免码间串扰。
奈氏准则给出了理想低通信道的码元传输速率上限,为了让信道可以更快地传输信息,提高每个码元携带比特的数量,通过采用技术更为复杂的信号调制方法来实现。
在实际中,信道中会有噪声,噪声是随机产生的,其瞬时值有时会很大,这会影响接收端对码元的识别,并且噪声功率相对于信号功率越大,影响就越大,结果是信息的传输速率并不能无限制地提高。
香农公式
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
C
=
W
log
2
(
1
+
S
N
)
(
b
/
s
)
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率 \\ C = W \log_2(1+\frac{S}{N})\ \ (b/s)
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率C=Wlog2(1+NS) (b/s)
W是信道的频率带宽(单位为Hz);S是信道内所传信号的平均功率;N是信道内的高斯噪声功率;S/N是信噪比,常用分贝(dB)表示。
信噪比(dB) = 10 log 10 ( S N ) =10\log_{10}(\frac{S}{N}) =10log10(NS),题中若无具体说明是比值,则需要经过换算计算出 S N \frac{S}{N} NS。
注1:一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率,要明显低于奈氏准则给出的上限值。
注2:实际信道中能够达到的信息传输速率,要比香农公式给出的极限传输速率低不少。
注3:实际做题中,有时候条件很充足(如给出码元与比特数之间的关系),则最大传输速率受两个公式的共同限制,选最低的极限传输速率
复用(Multiplexing)就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时,就可以通过复用技术,在这条传输媒体上建立多条通信信道,以便充分利用传输媒体的带宽。
尽管实现信道复用会增加通信成本(需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道),但如果复用的信道数量较大,还是比较划算的。
适合传输模拟信号。
频分复用(FDM)是将传输媒体的总频带划分成多个子频带,每个子频带作为一个通信子信道。每对用户使用其中的一个子信道进行通信。
频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源发送数据。
适合传输数字信号。
时分复用(TDM)是将时间划分为一段段等长的时隙,每一个时分复用的用户,在其相应时隙内独占传输媒体的资源进行通信。
时分复用的各用户所对应的时隙,就构成了时分复用帧(TDM帧)。
每个时分复用的用户,在每个TDM帧中占用固定顺序的时隙。
在使用时分复用技术进行通信的过程中,每个时分复用的用户所占用的时隙,是周期性出现的,其周期就是TDM帧的长度。
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带。
注1:TDM帧实际上是一段固定长度的时间,它与数据链路层对等实体间逻辑通信的“帧”,是完全不同的概念。
注2:TDM与FDM相比,抗干扰能力强,可以逐级再生整形,避免干扰的积累,而且数字信号比较容易实现自动转换。
即,光的频分复用FDM。
根据频分复用的设计思想,可在一根光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号,实现基于光纤的频分复用技术。
目前可以在一根光纤上复用80 路或更多路的光载波信号。因此,这种复用技术也称为密集波分复用DWDM 。
码分复用(CDM)常称为码分多址(CDMA),它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。
与FDM 和TDM 不同,CDMA 的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。CDMA最初用于军事通信,这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。
随着技术的进步,CDMA 设备的价格和体积都大幅度下降,因而现在已广泛用于民用的移动通信中。
CDMA将每个比特时间划分为m(取值通常为64 或128)个更短的时间片,称为码片(Chip)。
CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列:
将码片序列中的比特0记为-1,而比特1记为+1,可写出码片序列相应的码片向量。
中继器的主要功能是整形、放大并转发信号,以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减,使信号的波形和强度达到所需的要求,进而扩大网络传输的距离。原理是信号再生(而非简单地放大衰减的信号)。
中继器有两个端口,数据从一个端口输入,从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分,而不管是否有错误数据或不适于网段的数据。
中继器是用来扩大网络规模的最简单的廉价互连设备。
中继器两端的网络部分是网段,而不是子网,使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网。
中继器若出现故障,则对相邻两个网段的工作都产生影响。因为中继器工作在物理层,所以不能连接两个具有不同速率的局域网。
注1:若某个网络设备有存储转发功能,则认为它能连接两个不同的协议;若该网络设备无存储转发功能,则认为它不能连接两个不同的协议。中继器没有存储转发功能,因此它不能连接两个速率不同的网段,中继器两端的网段一定要使用同一个协议。
网络标准中对信号的延迟范围做了具体规定,中继器只能在该范围内进行有效的工作,否则会引起网络故障。
例如,在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中,互相串联的中继器的个数不能超过4个,而且用4个中继器串联的5段通信介质中,只有3段可以挂接计算机,其余2段只能用作扩展通信范围的链路段,不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。
注2:放大器和中继器都起放大作用,只不过放大器放大的是模拟信号,其原理是放大衰减的信号,而中继器放大的是数字信号,其原理是整形再生衰减的信号。
注3:放大器和中继器统称转发器。
集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器,在网络中只起信号放大和转发作用。
信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减,所以Hub便对该信号进行整形放大,使之再生(恢复)到发送时的状态,紧接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口。
若同时有两个或多个端口输入,则输出时将发生冲突,致使这些数据都无效。
Hub组成的网络是共享式网络,但逻辑上仍是总线网。Hub的每个端口连接的是同一网络的不同网段,同时Hub也只能在半双工状态下工作,网络的吞吐率受到限制。
注:集线器不能分割冲突域,集线器的所有端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息,当一台集线器连接的机器数目较多且多台机器经常需要同时通信时,将导致信息冲突,使得集线器的工作效率很差。
例:一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机,当这8台计算机同时工作时,每台计算机所真正拥有的带宽10/8Mb/s=1.25Mb/s。
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