物理层

技术探索
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🧀 物理层

思维导图

一、物理层的作用

在物理层上所传送的数据单位是比特。

物理层(physical layer)的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。 使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的。

二、三种通信方式

1. 单工通信

发送方和接收方固定，单向传输，仅需要一条信道（类比广播）

2. 半双工通信

通信的双方都可以发送和接收，但不能同时发送和接收，交替传输，需要两条信道（类比对讲机）

3. 双工通信

双方可以同时发送和接收，双向同时传输（类比打电话）

三、两种数据传输方式

1. 串行传输

将表示一个字符的8位二进制数按照从低位到高位的顺序，在一条信道按照顺序发送

特点：速度慢，费用低，适合远距离

2. 并行传输

将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送，接收方再根据顺序重新组装这些数据

特点：速度快，费用高，适合近距离（远距离传输时，线间干扰导致可靠性下降）

四、实现同步的传输方式

同步：接收方在时间上与发送方取得同步，以便能够正确的识别和接收发送方发来的数据

1. 同步传输 Synchronous Transmission

同步传输就是发送方和接收方的时钟要同步，数据的传送以一个数据块为单位，因此同步传输也称区块传输

  • 发送：同步符号(起始字符)＋数据块＋同步符号(结束字符）

  • 接收：遇到同步符号，开始接收数据，直到结束符号为止。

  • 同步符号：标识数据块的开始和结束

  • 可能存在的问题：假同步现象 — 数据块中含有与同步符号相同的内容

    解决方法：增加匹配同步符号的难度 SYN,SYN,G,H, …,B,A,SYN,D,E,SYN,SYN 传输方向

打个比方：就像双方约好了发送方每过一个小时就发送一次打包好的数据（帧）给接收方，接收方也每过一个小时接收一次数据（帧）。但是接收方不明白这一串数据得有多长，不能说传过来的数据收了一半就算完成了，所以得有起始位和结束位方便识别接受到的数据是否完整。

2. 异步传输 Asynchronous Transmission

异步传输就是发送方和接收方没有时钟同步。异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方并不知道它们会在什么时候到达。

一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键或特殊字符键，就发送一个8比特位的ASCII代码。键盘可以在任何时刻发送代码，这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。

异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从后面走上来跟你说话，而你没来得及反应过来，漏掉了最前面的几个词。因此，每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。


同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。

3. 同步传输和异步传输的区别

  • 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。
  • 异步传输的单位是字符，而同步传输的单位是帧。
  • 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。
  • 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。
  • 异步传输相对于同步传输效率较低。

简单来说：

  • 同步传输就是，数据没有被对方确认收到则调用传输的函数就不返回。接收时，如果对方没有发送数据，则你的线程就一直等待，直到有数据了才返回，可以继续执行其他指令

  • 异步传输就是，你调用一个函数发送数据，马上返回，你可以继续处理其他事，接收时，对方的有数据来，你会接收到一个消息，或者你的相关接收函数会被调用。

形象点说：

  • 异步传输: 你传输吧，我去做我的事了，传输完了告诉我一声
  • 同步传输: 你现在传输，我要亲眼看你传输完成，才去做别的事

五、数据通信相关术语

1. 码元

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形

1 码元可以携带多个比特的信息量

2进制编码 —> 2种码元 0 和 1 ，称为二进制码元：0 1

4进制码元—> 4种不同的信号波形：01 10 00 11

2. 速率

  • 码元传输速率：1s 传输多少个码元 ，单位：波特 Baud
  • 信息传输速率：1s 传输多少个比特

六、奈氏准则、香农定理

① 失真

发送的信号波形失真导致无法识别

失真的一种现象：码间串扰

接收端收到的信号波形因为振动太快（传播速度太快）失去了码元之间清晰界限的现象

② 奈氏准则

在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若传输速率超过此上限，就会出现码间串扰问题

奈氏准则提出了在假定的理想条件下（无噪声，带宽受限），为了避免码间串扰，码元传输速率的上限是 2W 波特（W 是带宽 Hz）

也就是说，信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输

最大数据传输率 = 2Wlog2V (b/s) （V 表示有几种码元）

③ 香农定理

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率上限值为：Wlog2(1+S/N) （b/s)，其中 S/N 代表信噪比

也就是说，信道的带宽或者信噪比越大，则信息的最大传输速率就越高

七、编码与调制

编码与调制其实就是模拟信号和数字信号的转换过程

1. 数字信道和模拟信道

数字信道是能传输数字信号的信道。数字信号传输的是不连续的、离散的二进制脉冲信号。在它的整个信号中只有两种状态，高电平与低电平，高电平用逻辑1表示低电平用逻辑0表示。

模拟信道是能传输模拟信号的信道。模拟信号的电平随时间连续变化，具有周期性的正弦波信。语音信号是典型的模拟信号。模拟信号一般通过PCM脉码调制方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值。

2. 基带信号和宽带信号

  • 基带信号：数字信道上传输，保持数据波的原样进行传输。适合距离较近，信号可同时向两个方向扩散

  • 宽带信号：模拟信道上传输，把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移道较高的频段以便在信道中传输。适合距离较远，信号仅向一个方向扩散

3. 编码：数据——>数字信号

① 数字数据——>数字信号

  • 非归零编码
    高1低0，没有检错功能

  • 曼彻斯特编码
    一个码元分成两个间隔，前低后高表示1，前高后低表示0（自己定）

  • 差分曼彻斯特编码
    同1异0

  • 归零编码
    信号电平在一个码元内都要恢复到0

  • 反向不归零编码
    电平反转表示0，状态不变表示1

  • 4B/5B编码

② 模拟数据——>数字信号

  • 抽样
  • 量化
  • 编码

4. 调制：数据——>模拟信号

① 数字数据——>模拟信号

  • 调幅
  • 调频
  • 调相
  • 调频 + 调相

② 模拟数据——>模拟信号

频分复用

八、物理层传输介质

1. 导向型传输介质

  • 双绞线：适用于近距离

  • 屏蔽双绞线

  • 无屏蔽双绞线

  • 同轴电缆（抗干扰性强）：适用于远距离

  • 光纤：带宽远远大于其他传输媒体

  • 单模光纤：适合远距离

  • 多模光纤：适合近距离

2. 非导向型传输介质

  • 无线电波
  • 微波
  • 红外线、激光

九、物理层设备

1. 中继器

对信号进行再生和还原，增加信号传输的距离，延长网络的长度

2. 集线器（多口中继器）

集线器不能分割冲突域，连在集线器上的工作主机平分带宽

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