计算机网络物理层全解析：从线缆到信号的奥秘

计算机网络物理层全解析：从线缆到信号的奥秘

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/SUN_Gyq/article/details/145079612

计算机网络物理层是网络通信的基础，它定义了数据传输的物理特性，包括信号的产生、传输和接收。本文将从通信基础概念、信道容量理论、编码调制方式、传输介质以及物理层设备等多个方面，全面解析计算机网络物理层的核心内容。

一、通信基础的基本概念

每一个信号就是一个“码元”，可以把“信号周期”称为“码元宽度”。如果一个“周期”内可以出现K种信号，则1码元=log₂K bit。

二、信道的极限容量

信号是数据的载体，在信道上传输；噪声对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率。

奈奎斯特定理

对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道）：

• 极限波特率 = 2W（单位：波特，即码元/秒）
• W 是信道的频率带宽（单位：Hz），表示某信道允许通过的信号频带范围
• 一个码元可以携带多少比特数据？如果一个“信号周期”内可能出现 K种信号，则：1码元=log₂K bit
• 极限比特率 = 2Wlog₂K b/s

奈奎斯特定理说明：

• 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元
• 带宽越大，信道传输码元的能力越强
• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

香农定理

对于一个有噪声、带宽有限的信道：

• 极限比特率= W log₂(1+S/N) 单位:bps
• W：是信道的频率带宽(单位:Hz)
• 信噪比 = S/N = 信号的功率/噪声的功率 无单位
• 信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小
• 以“aB(分贝)”为单位表示信噪比: 信噪比=10 lg S/N 单位:dB(分贝)

香农定理说明：

• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率
• 结合奈奎斯特定理，可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

三、编码与调制

• 归零和非归零：低为0，高为1，看中间，有变化归零，无变化是非归零
• 反向非归零和差分曼彻斯特：跳为0，不跳为1，看中间，有变化差分曼彻斯特，无变化反向非归零
• 曼彻斯特：看中间变化，上为0（从下向上走，说明当前为0），下为1（从上向下走，说明当前为1）

基带信号：来自信源的数字信号，需调制后才能在某些信道上传输

• 调幅 AM 又名:幅移键控(ASK)
• 调频 FM 又名:频移键控(FSK)
• 调相 PM 又名:相移键控(PSK)

四、传输介质

常用的传输介质:

• 导向型:双绞线、同轴电缆、光纤(信号朝着固定方向传播)
• 非导向型:无线传输介质(信号朝着四面八方传播)

有线传输介质

双绞线

• 主要构成：两根导线相互绞合而成(像缠绕起来的麻花)
• 有屏蔽层的叫做--屏蔽双绞线(STP)
• 无屏蔽层的叫做--非屏蔽双绞线(UTP)
• 抗干扰能力：较好。绞合、屏蔽层都可以提升抗电磁干扰的能力
• 代表应用：近些年的局域网、早期电话线
• 提高绞合度、增加屏蔽层的好处：
• 抗电磁干扰能力强
• 信道噪声功率低
• 信道极限速率高

同轴电缆

• 主要构成：内导体(用于传输信号)+外导体屏蔽层(用于抗电磁干扰)
• 抗干扰能力：好。屏蔽层带来良好的抗干扰性
• 代表应用：早期局域网、早期有线电视
• 内导体一般都是以铜作为主要材料，内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

光纤

• 主要构成：纤芯(高折射率)+包层(低折射率)
• 利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号
• 单模光纤：只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输耗损小
• 多模光纤：多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真
• 抗干扰能力：非常好。光信号对电磁干扰不敏感
• 其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少；很细很省布线空间

多模光纤：

• 特点：纤芯更粗，可同时传输多条光线，信号传输损耗更高。适合较近距离传输

单模光纤：

• 特点：纤芯更细，直径小于一个波长，只能传输一条光线，信号传输损耗低。适合远距离传输

以太网对有线传输介质的命名规则

• Baseband，基带传输，即传输数字信号(采用曼彻斯特编码)
• 格式：速度+ Base +介质信息
• 10Base5：10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m
• 10Base2：10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m(实际是185)
• 10BaseF*：10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP
• 10BaseT*：10Mbps，双绞线。*可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1L

无线传输介质

无线电波

• 特点：穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱（如：手机信号、WiFi）

微波通信

• 特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差(容易被窃听)（如：卫星通信(卫星作为信号中继器，传播时延较大)）

其他无线传输介质：

• 红外线通信、激光通信：信号指向性强

无线传输介质本质上都是用电磁波。

• 电磁波的公式：C=入F，C为光速，入为波长，F为频率
• 电磁波频率，波长呈反比关系
• 频率越高，数据传输能力越强
• 波长越短，“信号指向性”越强，信号越趋于直线传播·波长越长，“绕射性”越好，也就是信号“穿墙”能力越强

结论：

• 长波更适合长距离、非直线通信。
• 短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站;
• 短波信号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源。

物理层接口的特性：

• 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
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制等
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理设备

若传输距离过长，数字信号会失帧

中继器

• 中继器只有两个端口。
• 通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口(信号再生会产生一些时延)
• 仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”)
• 中继器两个端口对应两个“网段”
  物理层“电气特性”规定--0.51.5V是低电平，4.55.5V 是高电平，不符合此标准的信号视为无效。
  信号的整形再生：
  中继器接收到信号后，会将低电平整形为 1v，将高电平整形为 5v，然后再输出。

集线器(Hub)

• 本质上是多端口中继器
• 集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口
• 各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”
• 集线器的 N 个端口对应 N 个“网段”各网段属于同一个冲突域”
  冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突，则这两台主机处于同一个“冲突域”
  处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”

一个更大的冲突域（碰撞域）
集线器不能“隔离”冲突域
以太网交换机可以“隔离”冲突域

• 集线器、中继器不能“无限串联”一如:10Base5 的 5-4-3 原则
  5-4-3 原则：使用集线器(或中继器)连接10Base5 网段时，最多只能串联5 个网段，使用4 台集线器(或中继器)，只有 3个网段可以挂接计算机。

• 集线器连接的网络，物理上是星形拓扑，逻辑上是总线型拓扑
• 集线器连接的各网段“共享带宽”：如:带宽为 10Mbps 的集线器，连接8台主机，每台主机平均只拥有 1.25Mbps 带宽
• 中继器、集线器不能连接物理协议不同的网段，也不能连接速率不同的网段