计算机网络笔记 —— 物理层 1

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物理层

物理层功能:

  • 提供透明的比特流传输
    • 注意:封装好的数据是以01比特流的形式传递,从一个地方搬到另一个地方。

    物理层上的传输,从不关心比特流携带的信息,只关心比特流的正确搬运

物理层的四大特性:

  • 机械特性(mechanical characteristics)
    • 机械特性指明了接口所有接线器的形状、尺寸、引脚数和排列等,如RJ45的水晶头
  • 电气特性(electrical characteristics)
    • 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性(functional characteristics)
    • 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
  • 规程特性(procedural characteristics)
    • 指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序
    • 规程的概念类似协议

物理层上数据是以信号的方式传输的

信号是数据的电气或电磁表现,信号分为模拟信号和数字信号

  • 模拟信号
    • 对应时域的信号是连续的
  • 数字信号
    • 对应时域的信号是离散的
    • 码元:代表不同离散值的基本波形

信号在信道/传输介质上传输

信号在传输过程中,可以看成由很多不同频率的分量传输,高频分量的不等量衰减,接收方收到的信号是衰减和变形(失真)的。

物理带宽

传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围,物理带宽是一种物理特性,通常取决于介质材料的构成、厚度、长度

数字带宽

单位时间内流经的信息总量

物理带宽和数字带宽之间的联系

理想信道的最大传输速率

奈奎斯特定理:-> 理想信道

在无噪声信道中,当物理带宽为BHz,信号离散等级为V级,那么该信道能提供的最大传输速率(数字带宽)可用这个公式表达:

$最大传输速率=2Blog_2V(bps)$

V:信号的离散等级

奈奎斯特定理表明:要提高最大传输速率,只有增加物理带宽和信号离散等级,物理带宽无法增加,只有增加信号离散等级。

香农定理: -> 有噪声信道

在噪声信道中,如果物理带宽为BHz,信噪比为S/N,那么最大传输速率(数字带宽):

$最大传输速率=Blog_2(1+\frac{S}{N})(bps)$

一般噪声采用分贝(dB)来表示

$分贝值=10log_{10}\frac{S}{N}(db)$

香农定理表明:在信道一定的时候,物理带宽确定,要想提高最大传输速率只有增加信噪比

引导传输介质

传输介质承载着物理层传输的比特流

引导性:(有线传输介质)

铜线、光纤

非引导性:(无线传输介质)

无线电卫星

同轴电缆

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分两类:

  • 基带同轴电缆

    阻抗:50欧, 用于数字传输(屏蔽层为铜)

  • 宽带同轴电缆

    阻抗: 75欧,用于模拟传输(屏蔽层为铝)

还可以分为:

  • 粗缆
    • 最大传输距离500米
    • 两端按照终结器,以保证电缆屏蔽层接地
  • 细缆
    • 最大传输距离185米
    • 两头安装BNC头,接在T型连接器两端
  • 双绞线(Twist Pair Cable)
    • 由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度,逆时针方向绞合而成。
    • 可以消除近端串扰 Crosstalk

    绞距越紧(小),越均匀则抵消效果越好,传输性能越好。

    双绞线主要分为:

    • 非屏蔽双绞线(UTP: Unshielded Twisted Pair)

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    • 5类双绞线

      提供10M, 100M的数字带宽,使用了其中的两对线,分别用于收、发

      1000M以太网中,用到了全部的4对线

      最大传输距离100米,广泛用于局域网

    • 优点

      成本低, 尺寸小, 易于安装

    • 缺点

      易受干扰, 传输距离性能收到绞距的影响

    • 屏蔽双绞线 (STP: Shielded Twisted Pair)

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    • 相比UTP,STP增加了两层屏蔽层,分别位于每对线之外和全部4对线之外

    • 优点

      抗EMI/RFI干扰

    • 缺点

      成本高、安装不易

    • 网屏式双绞线(ScTP: Screened Twisted Pair)

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    • 在UTP和STP之间做了折中

在局域网中,使用最多的就是UTP,主要用到了12和36线对,一个用于收,一个用于发

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把RJ45的水晶头面向自己,再按照顺序排序1~8

水晶头可以按照568A或568B进行排列

568A 568B
白绿| 绿| 白橙| 蓝| 白蓝| 橙| 白棕| 棕 白橙| 橙| 白绿| 蓝| 白蓝| 绿| 白棕| 棕

直通线:用于不同设备之间互连(交换机-PC)
568B-568B

交叉线:用于同种设备之间互连(PC-PC,交换机-交换机)
568A-568B

现在设备已自适应

  • 橙绿蓝棕 绿橙蓝棕

光纤(光导纤维)

由极细的玻璃纤维构成,把光封闭在其中并沿轴向进行传播

光纤利用的光的全反射进行工作,光全部被封闭在光密物质中,全反射前行

优点

重量轻、损耗低、不受电磁辐射干扰、传输频带宽和通信容量大

缺点

昂贵、易断裂(所以一般以光缆的形式存在)

分类

  • 单模光纤(8.3/125$\mu m$) 8.3内芯直径, 125包裹内芯的外面玻璃层的直径

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    • 单一模式传输,激光产生单束光
    • 光源通常为激光
    • 纤心细、高带宽、长距离,运行波长为850nm或1300nm
  • 多模光纤(65.5/125$\mu m$)

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    • 以多个模式同时传输,LED产生的多束光

光源

光传输系统由:光源、传输介质(光纤)、探测器构成

LED和激光

LED便宜,传输距离短

激光昂贵,传输距离长

光纤断了怎么办?

  • 光纤连接器
    • 光损失10%~20%
  • 机械拼接,特殊的套管夹紧
    • 光损失10%
  • 熔合
    • 几乎无损失

光纤与铜线

光纤:带宽高、距离远、损耗低、重量轻,无电磁干扰和射频干扰(EMI和RFI)防窃听

一般干线上铺设光纤,连接用户使用UTP

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