物理层与数据通信基础：构建稳定网络的关键

本章主要讨论物理层的基本概念、数据通信的基础知识、几种常用的信道复用技术以及互联网接入技术。对于具备通信基础知识的读者，可以有选择地学习本章内容。

本章重点内容

1. 物理层的任务
2. 数据通信的基本概念
3. 常用的信道复用技术
4. 常用的互联网接入技术

2.1 物理层的基本概念

物理层的任务是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体。物理层的主要作用是屏蔽各种硬件设备和传输媒体的差异，使数据链路层感觉不到这些差异，只需完成本层的协议和服务。物理层协议常被称为物理层规程。

物理层需要考虑的问题

1. 传输媒体的类型：如铜线、光纤或无线电频段。

2. 位的表示：如何用电磁信号表示“1”或“0”，即如何编码。

3. 数据率：每秒发送的比特数。

4. 位同步：发送方与接收方的时钟一致性。

5. 链路配置：点到点配置或多点配置。

6. 物理拓扑结构：星形、总线型、环形或网状结构。

7. 传输方式：串行传输或并行传输，以及传输方向。

8. 与传输媒体的接口特性：

   • 机械特性：接口接线器的形状和尺寸等。
   • 电气特性：接口电缆上的电压范围及阻抗匹配。
   • 功能特性：某电平的电压表示的意义。
   • 过程特性：不同功能事件的顺序。

物理层协议种类繁多，学习时应重点掌握基本概念。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

数据通信系统可以划分为三个部分：源系统、传输系统和目的系统。一个简单的例子是通过电话网进行通信的两台PC。图2-1展示了数据通信系统的模型。

1. 源系统：

   • 源点：产生要传输的数据，例如从PC的键盘输入汉字。
   • 发送器：编码数字比特流以便传输，典型设备为调制器。

2. 传输系统：包括传输介质和网络设备。

3. 目的系统：

   • 接收器：解码接收的信号，例如解调器。
   • 终点：输出信息，例如PC屏幕显示的汉字。

2.2.2 编码与调制

数据必须转换为能在传输媒体上传送的信号。

信道分类

信道可以分为模拟信道和数字信道。

• 模拟信道：传送模拟信号。
• 数字信道：传送数字信号。

方式

• 数字数据转换成数字信号：称为编码（Coding）。
• 数字数据转换成模拟信号：称为调制（Modulation）。

方法

1. 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：位周期中心的跳变代表0或1。
   • 差分曼彻斯特编码：每位中心处有跳变，位开始边界的跳变代表0或1。

1. 基本调制方法：

   • 调幅（AM） ：载波振幅随基带信号变化。
   • 调频（FM） ：载波频率随基带信号变化。
   • 调相（PM） ：载波相位随基带信号变化。

2.2.3 信道的极限容量

信道的极限容量受信道带宽和信噪比的限制。奈氏准则和香农公式提供了理论上信道的极限传输速率。

名词解释

1. 奈氏准则：

   • 理想低通信道的最高码元传输速率：2W（波特）

2. 香农公式：

   • 极限信息传输速率：
     c=W*log₂(1+S/N)bit/s
     其中，W为信道带宽（Hz），S为信号平均功率，N为噪声功率。

2.2.4 传输方式

数字传输有各种不同的传输方式，包括并行传输和串行传输、异步传输和同步传输，以及单工通信、半双工通信和全双工通信。

并行传输和串行传输

1. 并行传输：

   • 一次发送n个比特，速度快但成本高，适用于短距离。

2. 串行传输：

   • 一个比特一个比特依次发送，适用于长距离。

异步传输和同步传输

1. 异步传输：

   • 以字节为独立传输单位，需起始位和结束位。
   • 字节之间的时间间隔不固定，接收端仅在每个字节的起始处同步。

2. 同步传输：

   • 数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间无间隔。
   • 需保持时钟同步，方法包括外同步和内同步。
   • 外同步：提供单独的时钟线或使用同一时钟源。
   • 内同步：发送端将时钟同步信号编码到数据中传输，如曼彻斯特编码。

单工通信、半双工通信和全双工通信

1. 单工通信：

   • 单向传输，如广播。

2. 半双工通信：

   • 双向交替传输，一方发送另一方接收。

3. 全双工通信：

   • 双向同时传输，双方可以同时发送和接收信息。

单工通信的应用场景包括广播电视和警报系统，发送方不断发送信息，接收方只需接收信息，无需回应。半双工通信应用于对讲机和传统的计算机终端通信，一方在发送信息时，另一方只能接收，不能同时发送。全双工通信则广泛用于电话通信和现代计算机网络，双方可以同时交流信息，提高通信效率。

在计算机网络中，全双工通信的使用极大提高了网络的吞吐量。例如，在以太网中，双绞线电缆的每对线都可以同时传输和接收数据，从而使得带宽倍增。

此外，光纤通信也是全双工的典型应用，通过利用不同的光波长，同时进行数据的发送和接收，进一步提升通信效率。

总结

通过本章的学习，你已经掌握了物理层的基本概念、数据通信的基础知识、常用的信道复用技术以及互联网接入技术。这些知识不仅对理解计算机网络的工作原理至关重要，也为你在实际应用中解决各种网络问题提供了理论基础。希望你能够继续深入学习，掌握更多的网络知识和技术。
图片来源：《计算机网络教程》