YingJoy's Blog
0%

计算机网络笔记 —— 物理层 1

Posted on Edited on
OSI TCP 课程
应用层 应用层 应用层
表示层
会话层
传输层 传输层 传输层
网络层 网络层 网络层
数据链路层 链路层 数据链路
介质访问控制子层(数据链路子层)
物理层 物理层

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

1.png

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）
    • 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）

    • 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）

    • 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

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
    • 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$\mu m$）
    • 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