物理层基本概念

《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。

（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。

⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。

在使⽤时间域（或简称为时域）的波形表⽰数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。

（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。

（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即通信的双⽅都可以发送信息，但不能双⽅同时发送（当然也就不能同时接收）。

这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。

例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。

例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。

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。

物理层的基本概念
物理层是计算机网络体系结构中的第一层，也是网络通信的最底层。

它负责通过物理媒介传输比特流，将数据从发送方传输到接收方。

以下是物理层的几个基本概念：
1. 媒体传输：物理层负责选择合适的物理媒介，如铜线、光纤或无线电波，来传输数据。

不同的物理媒介具有不同的传输速率和传输距离限制。

2. 数据编码：在物理层中，数据需要经过适当的编码方式转换为比特流。

常见的编码方式包括不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

3. 时钟同步：为了确保数据的正确传输，发送方和接收方的时钟需要保持同步。

物理层负责确保数据以正确的速率和时序传输。

4. 数据传输模式：物理层定义了数据的传输模式，可以是单工模式、半双工模式或全双工模式。

单工模式只允许数据在一个方向上传输，半双工模式允许数据在两个方向上交替传输，全双工模式允许数据在两个方向上同时传输。

5. 物理地址：物理层使用物理地址来唯一标识网络中的设备。

这些地址通常由网络适配器（网卡）提供，如MAC地址。

6. 基带与宽带传输：基带传输指的是将原始比特流直接传输到物理媒介上，适用于短距离数字通信。

宽带传输则指的是将数
据进行调制，转换为模拟信号再进行传输，适用于长距离传输和高速信号传输。

物理层的主要任务是确保数据在发送方和接收方之间可靠、高效地传输。

它提供了一些基本的传输机制和规范，为更高层的网络协议提供可靠的通信基础。

什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的基础层次，其主要功能是提供各种物理传输介质上的数据传输和接收。

物理层通过电气信号、电磁波、光信号等方式，将数据从发送方传输到接收方，并确保数据的可靠传输。

本文将介绍计算机网络物理层的基本概念以及常见的物理层技术。

一、计算机网络物理层的基本概念计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的最底层，它直接与各种物理传输介质进行数据传输和接收。

物理层的主要任务包括编码、调制解调、传输介质选择以及物理连接等。

1. 编码编码是指将数字信号转换为模拟信号或数字信号的过程。

传输的数据在计算机中以二进制形式表示，而大多数物理传输介质是通过模拟信号传输的，因此需要进行编码转换。

常见的编码方式有非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。

2. 调制解调调制解调是物理层中常见的一项技术，它将数字信号转换为适合传输的模拟信号。

发送方通过调制将数字信号转换为模拟信号，接收方通过解调将模拟信号转换为数字信号。

调制解调的常见方式有频移键控调制（FSK）、相位键控调制（PSK）、振幅键控调制（ASK）等。

3. 传输介质选择传输介质是指计算机网络中用于数据传输的物理媒介，常见的传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤等。

选择适合的传输介质对于物理层的性能和数据传输速率至关重要。

4. 物理连接物理连接是指将计算机网络中的各个节点通过传输介质进行连接的过程。

物理连接可以通过直接连接、交换机、集线器等实现。

物理连接的稳定性对于数据传输的可靠性和网络性能有着重要的影响。

二、常见的计算机网络物理层技术计算机网络物理层涉及到多种技术，下面将介绍一些常见的物理层技术。

1. 以太网以太网是一种常见的局域网技术，它使用双绞线或光纤作为传输介质，通过载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议进行数据传输。

以太网具有数据传输速率快、成本低廉等特点，广泛应用于局域网和广域网。

计算机网络原理物理层的基本概念
物理层为传输二进制比特流数据而建立、连接、释放物理连接提供机械的、电气的、功能的、规程性的特性。

这种物理连接可以通过中继系统，每次都在物理层内进行二进制比特流数据的编码传输。

这种物理连接允许进行全双工或者半双工的二进制比特传输的通信方式。

物理层服务数据单元（即二制比特流）的传输可通过同步方式进行。

物理层向上毗邻数据链路层，向下直接与传输介质相连接。

它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用。

通信子网分为点到点通信线路通信子网与广播信道通信子网：广域网主要采用点到点通信线路；局域网与城域网一般采用广播信道。

由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。

物理层考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是传输媒体或物理设备本身。

物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的4个特性：
●机械特性接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。

●电气特性接口电缆上各线的电压范围。

●功能特性指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。

●规程特性指明各种可能事件的出现顺序。

物理层的标准一、物理层的基本概念物理层是通信网络体系结构中的最底层，负责传输原始比特流，是实现通信的物理介质和硬件设备，包括网络线缆、收发器、光模块、无线设备等。

物理层的主要任务是建立、维护和释放物理连接，确保原始数据的传输。

二、物理层标准化的重要性物理层标准化对于通信网络的互操作性和互通性至关重要。

通过标准化，不同厂商的设备可以实现统一的物理层接口和传输规范，确保设备之间的兼容性和互操作性。

这有助于降低设备采购成本、简化网络管理和维护，提高网络的可靠性和性能。

此外，物理层标准化还能促进技术创新和市场发展，推动通信行业的进步。

三、常见的物理层标准1.Ethernet标准：以太网是目前应用最广泛的局域网技术，其物理层标准包括10BASE-T（使用双绞线）、100BASE-TX（使用双绞线）、1000BASE-T （使用双绞线）、10GBASE-T（使用光纤）等。

这些标准规定了不同传输速率和距离的要求。

2.光纤技术标准：光纤技术广泛应用于长途通信和高速数据传输。

常见的光纤技术标准包括单模光纤和多模光纤，以及不同波长和传输速率的光纤技术规范。

3.无线通信标准：无线通信技术中，常见的物理层标准包括WiFi （802.11系列）、WiMAX（802.16系列）、ZigBee（802.15.4）、蓝牙（802.15.1）等。

这些标准规定了无线信号的频段、调制方式、传输速率等参数。

4.其他物理层标准：除了上述标准外，还有许多针对特定应用领域的物理层标准，如工业自动化领域的现场总线标准、智能交通系统中的通信协议等。

四、物理层标准的制定过程物理层标准的制定通常由国际标准化组织（ISO）、电气和电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）等机构完成。

这些组织通过收集业界需求、组织专家讨论、开展实验验证等方式，制定出统一的物理层标准。

标准的制定过程中还需考虑各种因素，如传输介质、信号处理技术、传输距离和传输速率等，以确定最佳的技术参数。

2.1物理层基本概念2.1物理层基本概念接⼝特性典型的数据通信模型数据通信相关术语通信⽅式：单⼯通信半双⼯通信全双⼯通信传输⽅式：串⾏并⾏传输同步吗同步异步物理层物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务:确定与传输媒体接⼝有关的⼀些特性，即定义标准接⼝特性机械特性——定义物理连接的特性，规定物理连接时所采⽤的规格、接⼝形状、引线数⽬、引脚数量等等。

例如，定义⼀个插座⼏个孔，⼀个路由器⼏条天线。

电⽓特性——规定传输⼆进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等例如，某⽹络在物理层规定,信号的电平⽤+10V~+15V表⽰描述⼀个物理⼆进制0，⽤-10V ~-15V表⽰⼆进制1，电线长度限于15m以内题⽬中多为选择哪个属于什么特性，⼀般出现了数字，那基本上就是电⽓特性了功能特性——指明某条线上出现的某⼀电平表⽰何种意义，接⼝部件的信号线的⽤途。

描述⼀个物理层接⼝引脚处于⾼电平时的含义时，就像电饭煲的到达某个温度就跳闸，表⾯饭熟了规程特性(过程特性）—— 定义各条物理线路的⼯作规程和时序关系。

典型的数据通信模型数据通信相关术语通信的⽬的：传送消息（消息∶语⾳、⽂字、图像、视频等)。

数据data ∶传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号︰数据的电⽓/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

数字信号/离散信号:代表消息的参数的取值是离散的。

模拟信号/连续信号∶代表消息的参数的取值是连续的。

信源︰产⽣和发送数据的源头。

信宿∶接收数据的终点。

信道︰信号的传输媒介。

⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的介质。

因此⼀条通信线路往往包含两条信道，⼀条发送信道，⼀条接收信道。

分类：数据通信：指在不同计算机之间传输表⽰信息的⼆进制数0、1序列的过程。

设计数据通信系统要考虑的3个问题采⽤单⼯通信/半双⼯/全双⼯通信⽅式?采⽤串⾏通信/并⾏通信⽅式?采⽤同步通信/异步通信⽅式?通信⽅式：如何邀请你来散步？单⼯通信⼴播：⼀个⼈说话，⼤家听只有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，仅需要⼀条信道。

第二章物理层2.1 物理层的基本概念用于物理层的协议也常称为物理层规程物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性∙机械特性∙电气特性∙功能特性∙过程特性数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输。

2.2 数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型由原系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端，接收方）组成信号的分类：模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。

2.2.2有关信道的几个基本概念双方信息交互的方式●单工通信（单项通信）●双半工通信（双向交替通信）●全双工通信（双向同时通信）来自信源信号常称为基带信号（即基本频带信号）调制：基带调制（编码）：数字信号->数字信号带通调制（需要使用载波）：数字信号->模拟信号常用编码方式●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●曼切斯特编码（常用）：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1.●差分曼切斯特编码：在每一位中心处始终都有跳变。

位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1.基本的带通调制方法：⏹调幅（AM）⏹调频（FM）⏹调相（PM）2.2.3信道的极限容量奈氏准则(理想条件下）：在任何信道中，在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

香农公式(带宽受限、高斯白噪声)指出：信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S) (b/s)W 为信道的带宽（以Hz 为单位）S 为信道内所传信号的平均功率N 为信道内部的高斯噪声功率信噪比=10 log10 (SN) (dB）提高信息传输速率的方法：●提高信道带宽●提高信噪比●提高每个码元携带的信息量2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1导引型传输媒体1.双绞线（双扭线）2.同轴电缆50Ω同轴电缆——LAN/数字传输常用70Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输常用3.光缆2.3.2非导引型传输媒体1.无线传输2.短波通信3.无线电微波2.4 信道复用技术●频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源●时分复用TDM（等时信号）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。