计算机网络之物理层
物理层
物理层的基本概念
在计算机网络中，用来链接各类网络设备的传输媒体种类众多。git
大体能够分为两类：一类是导引型传输媒体，另外一类是非导引型传输媒体。网络
导引型传输媒体中，常见的有：双绞线、同轴电缆、光纤。异步
非导引型传输媒体中，常见的是微波通讯（2~40GHz）。编码
而物理层就是要解决在各类传输媒体上传输比特和1的问题。进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。spa
所谓"透明"是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用的什么方法来传输比特0和1的。它只管享受物理层提供的比特流服务便可。计算机网络
物理层为了解决在各类传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有如下四个任务：code
- 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。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性：指明对于不一样功能的各类可能事件的出现顺序。
物理层下面的传输媒体
导引型传输媒体
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。接口
常见的导引型传输媒体有：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。事件
同轴电缆rem
双绞线
光纤
光纤的工做原理
电力线
非导引型传输媒体
非导引型传输媒体是指自由空间。
可以使用的电磁波有：无线电波，微波，红外线，可见光。
无线电波
微波
红外线
传输方式
串行传输和并行传输
串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，所以在发送端与接收端之间，只须要一条数据传输线路便可。
并行传输：一次发送n个比特，所以，在发送端和接收端之间须要有n条传输线路；并行传输的优势是比串行传输的速度n倍，但成本高。
数据在传输线路上的传输采用是 串行传输，计算机内部的数据传输经常使用 并行传输
同步传输和异步传输
同步传输：
- 数据块以稳定的比特流的形式传输。字节之间没有间隔
- 接收端在每一个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0仍是比特1
- 因为不一样设备的时钟频率存在必定差别，不可能作到彻底相同，在传输大量数据的过程当中，所产生的判别时刻的累计偏差，会致使接收端对比特信号的判别错位
因此要使收发双发时钟保持同步。
收发双方时钟同步的方法有两种：
- 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
- 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一块儿传输（例如曼切斯特编码）
异步传输：
- 以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定
- 接收端仅在每一个字节的起始处对字节内的比特实现同步
- 一般在每一个字节先后分别加上起始位和结束位
单向通讯、双向交替通讯、双向同时通讯
单向通讯：
又称为单工通讯，即只能有一个方向的通讯而没有反方向的交互。无线电广播或有线电以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通讯：
又称为半双工通讯，即通讯的双方能够发送信息，但不能双方同时发送（固然也就不能同时接收）。这种通讯方式使一方发送另外一方接收，过一段时间后能够再反过来。
双向同时通讯：
又称为全双工通讯，即通讯的双发能够同时发送和接收信息。
单向通讯只须要一条信道，而双向交替通讯或双向同时通讯则须要两条信道（每一个方向各一条）
双向同时通讯的传输效率最高。
编码与调制
经常使用术语
- 数据 (data) —— 运送消息的实体。
- 信号(signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
- 模拟信号 (analogous signal) —— 表明消息的参数的取值是连续的。
- 数字信号 (digital signal) —— 表明消息的参数的取值是离散的。
- 码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，表明不一样离散数值的基本波形。
- 基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的表明各类文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号每每包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频份量或直流份量。所以必须对基带信号进行调制 (modulation)。
在计算机网络中，常见的是将数字基带信号经过编码或调制的方法在相应信道进行传输。
经常使用编码
不归零编码
- 正电平表示比特1/0
- 负电平表示比特0/1
中间的虚线是零电平，所谓不归零编码，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。
这须要发送方的发送与接收方的接收作到严格的同步
- 须要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元
- 可是对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号
因为不归零编码存在同步问题，所以计算机网络中的数据传输不采用这类编码。
归零编码
每一个码元传输结束后信号都要"归零"，因此接收方只要在信号归零后进行采样便可，不须要单独的时钟信号。
实际上，归零编码至关于把时钟信号用"归零"方式编码在了数据以内，这称为"自同步"信号。
可是归零编码中大部分的数据带宽，都用于传输"归零"而浪费掉了。
归零编码虽然 自同步，但 编码效率低
曼切斯特编码
在每一个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变
- 负跳变表示比特1/0
- 正跳变表示比特0/1
- 码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据
传统以太网使用的就是曼切斯特编码
差分曼彻斯特编码
在每一个码元时间的中间时刻，信号都会发送跳变，但与曼彻斯特不一样
- 跳变仅表示时钟
码元开始处电平是否变换表示数据
- 变化表示比特1/0
- 不变化表示比特0/1
比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率
调制
基本调制方法
- 调幅AM：所调制的信号由两种不一样振幅的基本波形构成。每一个基本波形只能表示1比特信息量
- 调频FM：所调制的信号由两种不一样频率的基本波形构成。每一个基本波形只能表示1比特信息量
- 调相PM：所调制的信号由两种不一样初相位的基本波形构成。每一个基本波形只能表示1比特信息量
可是使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。
混合调制
那么如何能使1个码元包含更多的比特呢？
能够采用混合调制的方法，由于频率和相位是相关的，也就是说，频率是相位随时间的变化率。因此一次只能调制频率和相位两个中的一个。
一般状况下，相位和振幅能够结合起来一块儿调制，称为正交振幅调制QAM。
正交振幅调制QAM
QAM-16
- 12种相位
- 每种相位有1种或者2种振幅可选
- 能够调制出16种码元（波形），每种码元能够对应表示4个比特
- 码元与4个比特的对应关系采用格雷码
- 任意两个相邻码元只有一个比特不一样
信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各类失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
失真的缘由：
- 码元传输的速率越高
- 信号传输的距离越远
- 噪声干扰越大
- 传输媒体质量越差
奈氏准则和香农公式对比：