11408 计网===物理层

物理层

• 物理层的功能：
  • • 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，进而给上层提供服务。
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关于透明传输

在计算机网络中，物理层面的透明传输是指数据链路层（或更低层次）能够将上层的数据以原始的形式准确无误地从一个节点传输到另一个节点，而不对数据的内容进行任何修改。这种传输方式确保了无论发送方和接收方之间经过了多少个中间设备（如交换机、路由器等），数据都能够保持其原始状态到达目的地。

透明传输的关键点包括：

1. 数据完整性：在整个传输过程中，数据不会被修改。这意味着无论是控制字符还是任意二进制数据，都能被正确传输而不会因为某些特殊字符的存在而导致解析错误。

2. 封装与解封：在发送端，数据链路层会将来自网络层的数据包封装成帧，并添加必要的头部信息（例如源地址、目标地址、校验和等）。接收端则负责去除这些额外的信息，恢复出原始的数据包。

3. 错误检测：通过使用诸如循环冗余校验(CRC)之类的机制来保证数据在传输过程中的完整性。如果接收到的数据出现错误，则可以请求重新发送。

4. 流控制：确保发送方不会过快地发送数据以至于接收方无法处理，这通常涉及到滑动窗口或其他流量管理技术。

5. 透明性：对于更高层协议来说，物理层和数据链路层提供的服务是“透明”的，即它们不需要关心下层是如何实现数据传输的具体细节。高层只需知道数据能可靠地从一端传送到另一端即可。

6. 零比特填充/字节填充：为了实现真正的透明传输，在一些情况下需要采取措施避免帧定界符（用于标识帧开始和结束的特殊模式）出现在数据部分。一种常用的技术是在数据序列中插入额外的比特或字节，这样就可以区分数据与帧边界标志。

透明传输的概念特别重要于那些要求严格保持数据原样的应用场合，比如文件传输协议(FTP)、电子邮件传输以及实时通信系统等。它确保了即使在网络环境复杂的情况下也能提供可靠且一致的服务质量。

关于物理层的接口特性

物理层是OSI七层模型中的最底层，主要负责在两个通信系统之间通过物理介质传输原始比特流。物理层定义了电气、机械、过程和功能的特性，以建立、维护和终止物理连接。以下是物理层接口特性的详解：

1. 机械特性：

   • 定义了物理连接器的形状、尺寸、引脚数量以及排列方式等。
   • 例如，RJ45插头用于以太网电缆，DB-9或DB-25插头用于串行通信。

2. 电气特性：

   • 描述了信号电平、阻抗匹配、传输速率（波特率）和最大传输距离等。
   • 例如，EIA/TIA-232标准规定了逻辑0为-3V至-15V，逻辑1为+3V至+15V；以太网使用100Ω的双绞线电缆，并支持10Mbps到10Gbps不等的数据速率。

3. 功能特性：

   • 规定了每条线路的功能，比如哪些线路用来发送数据，哪些用来接收数据，哪些用来进行控制。
   • 在RS-232接口中，TXD表示发送数据线，RXD表示接收数据线，RTS/CTS用于流量控制。

4. 规程特性：（过程特性）

   • 涉及到了数据链路建立、维持和释放的过程。
   • 包括何时开始发送数据，如何同步发送与接收双方，以及如何处理错误等情况。
   • 例如，PPP（点对点协议）定义了帧格式、链接配置协议（LCP）和网络层协议配置选项方法（NCP）。

具体例子

• 以太网：IEEE 802.3标准定义了多种以太网技术，包括10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-T等。这些标准指定了电缆类型（如UTP）、接头（如RJ45）、电压等级、信号编码方式（如曼彻斯特编码）、最大传输距离等。

• 光纤通信：对于光纤通信，物理层会定义光波长、光纤类型（单模或多模）、光源强度、调制方式等参数。

• 无线通信：在无线局域网（如Wi-Fi）中，物理层规范可能包括频率范围、信道宽度、调制方案（如QAM）、功率输出水平等。

物理层的设计必须确保能够可靠地将数字信息转换成适合特定传输媒介的物理信号，并且能够在另一端正确地恢复这些信息。此外，物理层还必须能够适应各种环境因素，如电磁干扰、温度变化等，以保证通信的质量。
物理层的特性是通过具体的硬件和传输介质来实现的。这些特性的载体主要包括以下几个方面：

1. 物理连接器：

   • 机械特性主要体现在物理连接器上，比如RJ45插头（用于以太网）、BNC连接器（用于同轴电缆）、SC/ST/LC光纤连接器（用于光纤通信）等。
   • 这些连接器不仅定义了尺寸、形状和引脚排列，还规定了如何将设备与传输介质相连。

2. 传输介质：

   • 电气特性通常与所使用的传输介质相关联。不同的介质具有不同的电性能，例如双绞线、同轴电缆、光纤等。
   • 双绞线：常见的有UTP（非屏蔽双绞线）和STP（屏蔽双绞线），它们有不同的阻抗和带宽特性。
   • 同轴电缆：适用于需要更长距离传输的情况，如早期的有线电视网络。
   • 光纤：提供极高的数据传输速率和较长的传输距离，分为单模光纤和多模光纤。

3. 接口电路：

   • 电气特性也涉及到了发送端和接收端的接口电路设计，包括驱动器、接收器、调制解调器等。
   • 驱动器负责将数字信号转换为适合特定传输媒介的电信号或光信号。
   • 接收器则负责将从传输媒介接收到的信号恢复成原始的数字信号。

4. 编码和调制方案：

   • 功能特性和规程特性往往涉及到信号的编码方式和调制方法，这些是在硬件层面实现的。
   • 编码方式可以是NRZ（不归零）、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
   • 调制技术可以是ASK（振幅键控）、FSK（频移键控）、PSK（相移键控）等。

5. 协议处理器：

   • 规程特性可能由专门的协议处理器来实现，这些处理器负责处理帧同步、错误检测、流量控制等功能。
   • 例如，在串行通信中，UART（通用异步收发传输器）就是一个典型的例子，它处理字符级别的同步和基本的错误检测。

6. 标准和规范：

   • 所有的这些特性都是基于国际或行业标准来制定的，例如IEEE 802.3（以太网）、ITU-T G.992.x（ADSL）、EIA/TIA-232（RS-232）等。
   • 标准文档详细描述了所有必要的参数，确保不同厂商生产的设备能够互相兼容。

综上所述，物理层的特性是通过具体的硬件组件（如连接器、电缆、接口电路）以及软件逻辑（如编码和调制算法）共同实现的，并且受到相关标准和规范的约束。这些载体保证了数据能够在不同类型的网络环境中被正确地传输。

物理层面的传输载体（媒体）

关于模拟传输和数字传输

模拟传输和数字传输是数据通信中的两种基本方式，它们在信号表示、处理方法以及应用场合上有所不同。

模拟传输 (Analog Transmission)

定义：

• 模拟传输是指使用连续变化的物理量（如电压或电流）来表示信息。这些物理量的变化可以与声音、图像等信息直接对应。

特点：

• 信号形式：信号是连续变化的，通常表现为正弦波或其他类型的波形。
• 频率范围：可以在一个较宽的频谱范围内变化。
• 抗干扰能力：相对较低，因为任何外部噪声都会叠加到信号上，导致失真。
• 带宽利用：对于特定的应用，模拟信号可能更高效地利用带宽。
• 设备复杂性：通常需要简单的发送和接收设备，但为了提高质量，可能需要复杂的滤波器和其他组件。

应用：

• 传统的电话系统
• 广播无线电和电视
• 早期的有线电视网络

数字传输 (Digital Transmission)

定义：

• 数字传输是指使用离散的脉冲或电平来表示信息。信息被编码为二进制位（0和1），并通过一系列电信号进行传输。

特点：

• 信号形式：信号是不连续的，只有有限数量的状态（通常是高电平和低电平）。
• 频率范围：占用固定的频带宽度，具体取决于数据速率。
• 抗干扰能力：较强，因为可以通过错误检测和纠正机制来恢复原始数据。
• 带宽利用：虽然单个信道的带宽利用率可能不如模拟信号，但通过多路复用技术可以实现更高的整体效率。
• 设备复杂性：需要较为复杂的调制解调器、编码器和解码器等设备。

应用：

• 计算机网络
• 移动通信
• 现代的有线电视和卫星电视
• 互联网服务

比较

• 准确性：数字信号在长距离传输时更能保持其准确性，因为即使在存在噪声的情况下，也可以通过各种手段恢复原始数据。
• 可靠性：数字传输具有更好的可靠性和稳定性，因为它能够容忍一定程度的信号衰减和干扰。
• 安全性：数字信号更容易加密，从而提供更好的安全保护。
• 成本：随着技术的进步，数字设备的成本已经大幅降低，但在某些情况下，模拟设备可能仍然更加经济实惠。

总之，模拟传输和数字传输各有优缺点，选择哪种方式取决于实际的应用需求，包括对数据质量的要求、传输距离、成本考虑等因素。现代通信系统越来越多地采用数字传输技术，因为它们提供了更高的灵活性和性能。

关于传输方式

• 串行传输

• 并行传输

计算机内部NIC（网卡）对于外部和内部的数据传输方式

• 同步传输：按照比特为传输单位，数据块按照比特流的方式传输，字节之间没有起始位和终止位。*要求双方对表示比特的信号的长度达成一致 到所谓的同步

• 异步传输：以字节为传输单位 但是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位对字节内的比特实现同步

-异步是字节间的异步 （也就是字节之间的时间间隔不固定） 但是字节内的每个比特任然要同步 它们的信号时间是相同的。

关于通信方式

• 单工：只能锚死一个方向
• 半双工：只能一端是发生方另一端是接受方 反之亦然
• 全双工：任意一端都是接受方发送发
• 单工只需要一个通道 剩下两个都需要两个通道
  

关编码和调制

计算机直接输出的数字信号往往并不适合在信道上直接传输，需要将其编码或者调制成适合在信道上传输的信号。

关于基带和宽带传输

基带传输和宽带传输是两种不同的数据传输方式，它们各自有不同的特点和应用场景。

基带传输 (Baseband Transmission)

基带传输是指信号以其原始的、未经调制的形式直接在信道上传输。这种传输方式通常用于短距离通信，如局域网中的以太网连接。基带信号通常是数字信号，具有以下特点：

• 信号形式：基带传输使用的是未经调制的数字脉冲信号。
• 频率范围：信号占用的频谱从0Hz开始到某个上限频率，这取决于数据速率。
• 适用场景：适用于短距离的数据传输，例如计算机网络内部或小型办公环境。
• 优点：实现简单，成本较低。
• 缺点：不适合长距离传输，因为信号衰减严重，且容易受到干扰。

宽带传输 (Broadband Transmission)

宽带传输则是指通过某种形式的调制技术将多个信号（可以是音频、视频、数据等）复用到一个较宽的频带内进行传输。这种传输方式常用于远距离通信和需要同时传输多种类型信息的情况。宽带传输有以下特点：

• 信号形式：宽带传输通常涉及对基带信号进行调制，使其适合在特定的频率范围内传输。
• 频率范围：使用一个较宽的频带，该频带被划分为多个子频段，每个子频段可以携带不同信号。
• 多路复用：可以使用时分复用（TDM）、频分复用（FDM）或码分复用（CDM）等方式，在同一物理介质上同时传输多个独立信号。
• 适用场景：适用于长距离通信，如电话线上的DSL（数字用户线路）、电缆电视网络、光纤通信等。
• 优点：能够同时传输大量不同类型的数据，支持更长的传输距离，抗干扰能力较强。
• 缺点：需要更复杂的设备和技术来实现调制解调以及信号处理，成本相对较高。

应用示例

• 基带传输：典型的例子是以太网，它使用基带传输来发送数据帧，其中的数据以二进制脉冲的形式直接在双绞线上传输。
• 宽带传输：例如，ADSL（非对称数字用户线路）利用现有的电话线路提供高速互联网接入服务。ADSL将电话线分成多个频道，分别用于语音通话、上行数据传输和下行数据传输。

总的来说，选择基带还是宽带传输取决于具体的应用需求，包括传输距离、所需带宽、成本预算等因素。

• 基带调制（编码）：将数字基带信号的波形进行变换 调制后的信号依然是数字基带信号 （把一种数字信号转换为另一种形式的数字信号）==codiing
• 宽带调制：将数字基带信号的频率搬移到较高的频段 转换为模拟信号 使其在模拟信道传输。

• 常用编码方式
  

了解奈式准则和香农公式

奈奎斯特准则（Nyquist Criterion）和香农公式（Shannon’s Theorem）是信息理论中的两个重要概念，它们对于理解通信系统中的数据传输速率有着关键的作用。下面我会尽量用通俗的语言来解释这两个概念。

奈奎斯特准则 (Nyquist Criterion)

通俗解释：

• 想象你有一条电话线，你想通过这条线发送尽可能多的信息。
• 奈奎斯特准则告诉你，如果你想要无失真地重建原始信号，那么你的采样频率至少应该是信号最高频率的两倍。这意味着，如果你想准确地捕捉到一个频率为1000Hz的声音，你需要每秒钟至少采样2000次。
• 在数字通信中，这个原则也适用于确定最大无误码的数据传输速率。它说明了在给定带宽下，可以实现的最大符号率（即单位时间内能传送多少个符号或脉冲）。
• 例如，如果信道的带宽是B Hz，那么理论上能够达到的最大数据速率是2B bps（比特/秒），假设每个符号代表一个比特的话。

香农公式 (Shannon’s Theorem)

通俗解释：

• 香农公式更进一步，考虑了噪声对信道的影响。
• 它提供了一个理论上的极限，即在一个给定的带宽和一定水平的噪声条件下，你能可靠传输的最大数据速率是多少。
• 公式可以写作：C = B * log2(1 + S/N)，其中C是信道容量（bps），B是信道带宽（Hz），S是信号功率，N是噪声功率。
• 举个例子，如果你有一个带宽为1 MHz的信道，并且信噪比（S/N）是3162，那么根据香农公式，这个信道的最大可能数据速率大约是20 Mbps。

总结

• 奈奎斯特准则 关注的是如何避免采样过程中的信息丢失，确保信号的完整性。
• 香农公式 则关注在存在噪声的情况下，信道能承载的最大信息量。

简单来说，奈奎斯特准则是关于采样的最低要求以避免信息丢失，而香农公式则是在考虑到现实世界中不可避免的噪声时，给出的最佳传输速率。两者都是为了优化通信系统的性能。

最后是信道复用技术

复用：（Multiplexing) 就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号

• 频分复用

• 时分复用

• 波分复用

• 码分复用

[!NOTE]
-了解内容：码分复用（Code Division Multiple Access, CDMA）是一种允许多个用户共享同一频带进行通信的技术。它通过为每个用户分配一个独特的代码序列来区分不同的用户信号，而不是像传统的时分复用（TDM）或频分复用（FDM）那样通过时间或频率来进行区分。CDMA广泛应用于移动电话网络和卫星通信系统中。

工作原理

1. 扩频技术：

   • 在发送端，原始信息首先与一个高速率的伪随机噪声码（PN码）相乘。这个过程被称为扩频，因为它将信号的能量扩展到了一个更宽的频带上。
   • 这种扩频后的信号看起来像是随机噪声，除非接收方知道用于扩频的确切PN码。

2. 多址接入：

   • 每个用户都有一个唯一的PN码。多个用户的信号可以同时在同一频段上传输，因为它们被不同的PN码所标识。
   • 由于这些PN码之间是正交的（即彼此间几乎没有相关性），因此即使多个信号叠加在一起，接收方也可以通过解调和去扩频处理恢复出特定用户的原始信息。

3. 接收端处理：

   • 接收方使用相同的PN码对收到的复合信号进行解调。通过与发送端使用的相同PN码相乘，特定用户的信号能量会被集中到原来的窄带内，而其他用户的信号则被当作噪声分散开来。
   • 经过去扩频处理后，接收方能够从混合信号中提取出所需的信息。

优点

• 抗干扰能力：由于信号被扩展到了更宽的频带，因此CDMA具有很强的抗干扰能力。
• 保密性好：未经正确PN码解码的信号看起来像是随机噪声，这增加了通信的安全性。
• 灵活性：新用户可以随时加入网络，只要为其分配一个新的PN码即可，无需调整现有的信道配置。
• 容量大：在理论上，CDMA允许无限数量的用户共享同一个频带，尽管实际上会受到功率限制的影响。

应用

• 移动通信：CDMA技术被广泛应用于第二代（2G）和第三代（3G）移动通信标准中，如IS-95、cdmaOne以及后来的WCDMA（UMTS的一部分）。
• 军事通信：由于其良好的安全性和抗干扰特性，CDMA也被用于军用无线电通信系统。
• GPS：全球定位系统中的导航信号也采用了类似CDMA的技术来实现多个卫星的同时访问。

总之，码分复用通过利用独特编码而非时间或频率资源来区分用户，提供了一种高效的多用户通信方式。这种技术不仅提高了频谱利用率，还增强了系统的可靠性和安全性。