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计算机网络(二)

运维开发网 https://www.qedev.com 2020-07-21 12:49 出处:网络 作者:运维开发网整理
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特率,而不是指具体的传输媒体。 物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异,这样可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务,而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性: 1)机械特性——指明接口所用接线器

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特率,而不是指具体的传输媒体。

物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异,这样可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务,而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性:

1)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,固定和锁定装置等等。

2)电气特性——指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

3)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。

4)过程特性——指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机中多采用并行传输方式,但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输(经济考虑),即逐个比特按照时间顺序传输。因此,物理层还要完成传输方式的转换。

 

一个数据通信系统可划分为三大部分,即源系统(发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。

源系统一般包括以下两个部分:

源点:源点设备产生要传输的数据,例如,从PC的键盘输入汉字,PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。

发送器:通常,源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。

目的系统一般也包括以下两个部分:

接收器:接收传输系统传送过来的信号,并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器,它把来自传输线路上的模拟信号进行解调,提取出在发送端置入的消息,还原出发送端产生的数字比特流。

终点:终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流,然后把信息输出(例如输出在PC屏幕上)。终点又称为目的站或信宿。

通信的目的是消息。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体,通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机处理或产生,信号则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式的不同,信号可分为:

模拟信号,或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号,或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。

信道:信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此,一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看,可以分为:单向通信/双向交替通信/双向同时通信,或者单工通信/半双工通信/全双工通信。

来自信源的信号常称为基带信号(基本频带信号)。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往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分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制。

调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号,因此人们更愿意把这种过程称为编码。

另一种调制则需要使用载波进行调制,把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,这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(仅在一段频率范围内能够通过信道),而使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式:

不归零制:正电平代表1,负电平代表0.

归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0.

曼彻斯特编码:位周期中心的向上跳代表0,位周期中心的向下跳代表1。但也可以反过来定义。

差分曼彻斯特编码:在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0,而位开始边界没有跳变代表1。

基本的带通调制方法:

调幅AM:即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如,0或1分别对应于无载波或有载波输出。

调频FM:即载波的频率随基带数字信号而变化。例如,0或分别对应于频率f1或f2。

调相PM:即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如0或1分别对应于相位0度或180度。

为了达到更高的信息传输速率,必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法,例如正交振幅调QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。

数字通信的优点就是:在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的信号,那么这种失真对通信质量就没有影响。

码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端的波形的失真就越严重。

接收端收到的信号失去了码元之间的清晰界限,这种现象称为码间串扰。

奈氏准则:在任何信道中,码元传输的速率是有上线的,传输速率超过此上线,就会出现严重的码间串扰问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比,常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位。信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)。

香农公式指出信道的极限信息传输速率是C:

C=Wlog2(1+S/N)(b/s)

式中,W为信道的带宽,单位为Hz。S为信道内所传信号的平均功率。N为信道内的高斯噪声功率。

该式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。

对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比也不能再提高了,并且码元传输速率也达到了上限值,可以使用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

 

传输媒体也称为传输介质或传输媒体,它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类:导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

导引型传输媒体

双绞线:把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线,其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输),或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形(对于数字传输)。导线越粗,其通信距离就越远。

为了提供双绞线的抗电磁干扰能力,可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。因此可分为屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)和无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)。

现在最常用的UTP是5类线。5类线和3类线的最主要区别是大大增加了每单位长度的绞合次数。

同轴电缆:由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股)以及保护塑料外层所组成。

由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据。

光缆:光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1,没有光脉冲相当于0.

 由于可见光的频率非常高,约为10^8MHz的量级,因此其带宽远远大于目前其它各种传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源,可以采用发光二极管或半导体激光器,它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器,在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细,其直径只有8-100um。光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时,其折射角将大于入射角。因此,如果射角足够大,就会出现全反射,即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复,光也就沿着光纤传输下去。

多模光纤:存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,造成失真。因此多模光纤只适合近距离传输。

若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,它可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

非导引型传输媒体

短波通信(高频通信)主要是靠电离层的反射。

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。频率范围300MHz~300GHz(波长1m~10cm),但主要使用2~40GHz。微波通信主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信。

 

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用TDM(Time Division Multiplexing)的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

在进行通信时,复用器和分用器成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器的作用相反,它把高速信道传送过来的数据进行分用,分别送交到相应的用户。

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)或码分多址CDMA(Code Division Multiple Access),每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。

 

宽度接入技术

从宽带接入的媒体来看,可以划分两大类。一类是有线宽带接入,而另一类是无线宽带接入。

非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)

光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)

多宽带光纤接入FTTx(Fiber To The…)

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