计网物理层基本概念

物理层是五层协议体系中的最底层它的任务极其单纯把比特流从一个节点透明地传送到相邻节点。物理层关心的不是数据是什么意思而是用什么样的电压表示 1 和 0一个比特持续多长时间要不要区分时钟同步接头有几个引脚每个引脚接什么物理层四大特性特性含义举例机械特性接口的形状、尺寸、引脚数RJ45 水晶头8 个引脚电气特性电压范围、传输速率0V 代表 03.3V 代表 1功能特性每个引脚的功能定义某个引脚发送数据某个引脚接收规程特性信号传输的时序关系先发送起始位再发送数据位2.数据通信基础理论概念定义信号特征模拟信号连续变化的信号正弦波参数连续数字信号离散的脉冲信号方波只有 0 和 1单工通信只能单向传输广播、电视半双工通信双向但不可同时对讲机按一下说松手听全双工通信双向同时传输电话、现代网络通信调制调制就是把数字信息变成模拟信号解调就是反过来 调制解调器Modem就是干这个的基带信号 vs 带通信号类型定义传输方式基带信号原始的数字信号频谱从 0 开始直接在信道中传输如以太网带通信号把基带信号搬移到高频载波上通过调制后传输如 WiFi、4G三种基本调制方式调制 让载波的某个参数随信号变化调制方式操作类比调幅AM改变载波振幅说话声音大小表达意思调频FM改变载波频率说话音调高低表达意思调相PM改变载波相位说话的节奏快慢表达意思编码编码Encoding将数字数据转换为数字信号。1.NRZ不归零高1低0码元电平全程不变无同步时钟长串0/1易失同步实现简单现已淘汰。2.RZ归零每个码元中间归零自带同步占用带宽多极少使用。3.曼彻斯特编码每个码元中间必须发生电平跳变且自带同步时钟向上跳0向下跳1优点每一位中间都有跳变接收方靠跳变就能同步时钟不会分不清 0 和 1缺点变化频繁更占带宽。4.差分曼彻斯特编码每个码元中间必须发生电平跳变且自带同步时钟判断 0/1 不靠中间跳变靠码元开头有没有跳变1码元开始不跳变跟上一位末尾电平保持一致0码元开头必须跳变跟上一位末尾电平翻转优点抗干扰更强就算线路高低电平颠倒解码结果不会出错缺点同样占用双倍带宽。5.曼彻斯特 vs 差分曼彻斯特对比维度曼彻斯特差分曼彻斯特中间跳变必须有时钟必须有时钟值的判定跳变方向上/下开始处有无跳变抗干扰较好更好不依赖绝对电平实现复杂度简单较复杂两种编码都能自同步接收方从信号中提取时钟不需要额外时钟线。曼彻斯特编码的缺点是效率只有 50%一个码元只传一个比特但需要两次电平变化所以带宽利用率低。3.奈奎斯特定理与香农公式奈奎斯特定理Nyquist适用条件理想信道无噪声公式最大数据传输率 2W × log₂V (bps)W信道的带宽HzV离散电平级数信号状态数V 2ᵏk 为每码元携带比特数码元 vs 比特概念定义关系码元波特一个信号变化单位一个码元可携带多个比特比特最小信息单位如果 V4则 1 码元 2 比特易错点奈奎斯特定理得到的最大数据率也叫奈奎斯特速率这是在无噪声理想情况下的理论上限。实际信道不可能无噪声所以香农公式更实用。香农公式Shannon适用条件实际信道有噪声公式最大数据传输率 W × log₂(1 S/N) (bps)W信道带宽HzS/N信噪比即信号功率与噪声功率之比信噪比常用单位——分贝dB信噪比(dB) 10 × log₁₀(S/N)必考点——dB 换算30dB → S/N 100020dB → S/N 10010dB → S/N 10信噪比每增加 10dBS/N 扩大 10 倍4.传输介质导引型传输介质有线介质结构特点常用场景双绞线两根铜线绞在一起便宜、够用有屏蔽/非屏蔽之分局域网、电话线同轴电缆内外导体、绝缘层抗干扰好带宽高有线电视已逐渐淘汰光纤纤芯 包层带宽极高、抗干扰、远距离骨干网、长距离通信光纤的两种传输模式特性多模光纤单模光纤纤芯直径较粗50μm很细9μm光源LED激光器传输距离短几百米~2km长几十公里成本低高色散大极小场景楼内局域网跨城/跨洋通信多模光纤可以并行但受干扰多单模光纤单行告诉干扰极小非导引型传输介质无线无线电波全向传播WiFi、蓝牙微波定向传播卫星通信、微波中继红外线短距离遥控器可见光LiFi实验阶段5.信道复用技术复用Multiplexing让多个信号共享同一条物理信道是物理层最重要的技术之一。频分复用 FDMFrequency Division Multiplexing原理把信道总带宽分成多个子频带每个用户独占一个子频带类比一条高速公路划分成多个车道每辆车走自己的车道互不干扰典型应用广播电台不同台不同频率、ADSL时分复用 TDMTime Division Multiplexing原理把时间分成固定长度的帧每帧再分成固定数量的时隙每个用户轮流占用缺点某个用户没有数据时它的时隙也只能空着 → 浪费类比一个老师轮流给多个学生答疑每个学生固定的 5 分钟学生没问题也得等着统计时分复用 STDMStatistical TDM改进TDM 的改良版不为空闲用户保留时隙按需分配类比老师不固定时间谁有问题谁举手提高效率波分复用 WDMWavelength Division Multiplexing原理光纤通信中的频分复用不同波长的光信号在同一根光纤中传输类比一根光纤像一条彩虹不同颜色的光波长各走各的DWDM密集波分复用一根光纤能同时传输几十上百个波长是骨干网的核心技术码分复用 CDMCode Division Multiplexing原理每个用户使用不同的码片序列所有用户同时使用同一频率CDMA码分多址3G 移动通信的核心技术类比一个大房间里所有人同时说话但每对人用不同的语言。你只听得懂你同伴的语言别人的话对你来说只是背景噪音。四大复用技术对比总表复用方式划分维度优点缺点典型应用FDM频率实现简单子频带间需保护间隔广播、ADSLTDM时间公平空时隙浪费传统电话网络STDM时间动态高效需要地址信息分组交换网络WDM波长光极大带宽设备昂贵光纤骨干网CDM码片抗干扰实现复杂3G/卫星通信