【从零开始学习计算机】计算机网络（二）物理层

物理层

物理层提供机械，电气，功能和过程特性，以建立，维护和释放数据链路实体之间的物理连接。物理连接可能涉及中间开放系统，每个系统都在物理层内中继位传输。物理层实体通过物理介质互连。

物理层的四个特性

机械特性：电连接器和电缆的机械规格，例如最大电缆长度
RS-232（推荐标准232）是在DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间连接的串行二进制单端数据和控制信号的一系列标准的传统名称。 它通常用于计算机串行端口。

电气特性：传输线信号电平和阻抗的电气规范。最长15米的电缆上的数据速率高达20 kbps。负双极性逻辑，其中负电压表示逻辑“1”，正电压表示逻辑“0”。

功能特性：物理介质中某些导线上产生的电信号的功能逻辑。

程序特征：控制事件顺序的协议程序。

物理层的数据通信

数据通信是通过某种形式的传输介质（信道）在两个设备之间交换数据。

数据通信中的一些概念

信号：信号是运载消息的工具，是消息的载体。

模拟信号：模拟信号是指信号波形模拟着信息的变化而变化，其主要特征是幅度是连续的，可取无限多个值；而在时间上则可连续，也可不连续。

数字信号：数字信号是指不仅在时间上是离散的，而且在幅度上也是离散的，只能取有限个数值的信号。

数据：数据（data）是事实或观察的结果，是对客观事物的逻辑归纳，是用于表示客观事物的未经加工的原始素材。

模拟数据：数据是连续的值。

数字数据：数据是离散的值。

调制：调制（modulation）就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。

解调：解调是从携带信息的已调信号中恢复消息的过程，是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。

信道：物理传输媒体。信道按照传输的信号划分，有模拟信道和数字信道之分。

模拟信道：传输连续的模拟信号。

数字信道：发送数字脉冲。

信道按照通信模式划分，有单工信道、半双工信道和全双工信道之分。
单工信道一般用在只向一个方向传输数据的场合。在同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信。
半双工信道允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；在同一时间只可以有一方接受或发送信息，可以实现双向通信。
全双工信道允许数据在同一时刻同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力；在同一时间可以同时接受和发送信息，实现双向通信。

信道按照数据传输方式划分，有基带传输、频带传输和宽带传输之分。
基带传输。在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是典型的矩形电脉冲信号，它的频谱包括直流、低频和高频等多种成份（其中直流的频谱是零频）。在数字信号频谱中，把从直流（即零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，数字信号又被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。
频带传输。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。
宽带传输。宽带是比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统.其通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。

物理层关注的问题

一，数据同步

在数据之间建立从源到目标数据存储之间的一致性（反之亦然）以及随着时间推移数据的连续一致性的过程。
数据同步模式主要有：

位同步。位同步用于在接收端找到即将到来的比特（符号）的开始和结束，即发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

位同步的实现方式：

1，外部同步。发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
2，自同步。自同步通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

字符同步。字符同步以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要：1个起始位、5-8个数据位、1，1.5，2个停止位。

帧同步。帧同步基于字符同步，线路流上的数据必须分为数据包或一组位（帧）。在帧的开头和结尾放置标记，用于识别一个帧的起始和结束。

面向字符的——以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。为了不将信息位中出现的特殊字符被误码判为帧的首尾定界符，可以在前面填充一个转义符(DLE)来区分（字符填充）。

面向比特的——以特殊位序列(比如7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。为了不使信息位中出现的该特定模式被误判为帧的首尾标志，可以采用比特填充的方法来解决。

字符填充，把信息字段中出现的每一个与同步字符相同的字符转变为2字节序列(转义字符，与同步字符相同的字符)。

若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个转义字节，同时将该字符的编码加以改变。

比特填充，比特填充相较字节填充要简单得多，其核心思想是通过插入一个bit的数据来破坏可能与特殊位序列相同的信号，比如在PPP帧的同步传模式下，转义位序列0x7E的二进制表示是01111110，因此只要帧数据部分中每出现5个1时在后面插入一个0就可以避免在数据中出现0x7E。

二，信道的传输速度

信道传输速度的评估指标主要有:

波特率（码元速率）。波特率是一种调制速率，也称波形速率或码元速率。它是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒钟传输多少个电信号单元（信号事件，码元），即调制后模拟信号每秒钟的变化次数，等于调制周期的倒数（时间间隔），单位为波特(Baud)。即B = 1 / T (Baud)，T 为码元的时间宽度。其中，码元(code)是在使用时间域（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。

数据传输(速)率。数据传输(速)率又称比特率，是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数。即:每秒传输多少位二进制数据。单位: 比特/秒（b/s），bps ( bits per second )。

数据传输(速)率与波特速率的关系： S = ( 1 / T ) ⋅ l o