物理层

概述¶

物理层功能¶

为数据链路层提供透明传输比特流，即物理层的比特流传输细节向上层的数据链路层隐藏，数据链路层只需要使用物理层的比特流传输服务

物理层接口¶

机械特性：形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置

电气特性：信号电压的范围、阻抗匹配情况、传输速率、距离限制

功能特性：规定接口电缆的各条信号线的作用

过程特性：规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括信号间的时序关系

传输媒介¶

传输媒介是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒体

传输媒介并不包含在计算机网络体系结构中 (位于物理层之下)

分为导向型传输媒体 (固体媒体) 和非导向型传输媒体 (自由空间)

导向型传输媒体

包括：同轴电缆、双绞线、光纤

电磁波在导向型传输媒体中，被导向沿着固体方向传播
- 同轴电缆：外部保护层、屏蔽层、绝缘层、内导体
  
  所有层共圆心，由此得名，价格较贵。分为：基带同轴电缆 50 \(\Omega\) (用于数字传输，在早期局域网中广泛使用) 和宽带同轴电缆 75 \(\Omega\) (用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线)
- 双绞线
  
  把两根相互绝缘的铜导线，按一定密度相互绞合起来，分为 UTP (无屏蔽双绞线电缆) 和 STP (屏蔽双绞线电缆)【区别在于多对双绞线束和绝缘保护套之间是否有屏蔽层】
  
  绞合的作用：减少相邻导线间的电磁干扰、抵御部分来自外界的电磁干扰
  
  家庭局域网主要使用 5E (超 5 类) 双绞线 (传输速率不超过 1Gbps 的应用) 或 6 类双绞线 (传输速率高于 1Gbps 的应用)
- 光纤
  
  利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。由于可见光的频率非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽
  
  发送端将输入的电脉冲通过发光二极管或半导体激光器转化为光脉冲，经过光纤传输到接收端，再由接收端到光电二极管或激光检波器将其转化为电脉冲
  
  光纤是石英玻璃拉成的细丝，包括包层和纤芯两部分，其中包层的折射率较低，纤芯的折射率较高，目的是发生全反射现象，以使光沿着光纤不断传递
  
  多模光纤与单模光纤：
  
  由于全反射现象的入射角不止一个，因此可以存在不同入射角的光在同一条光纤中传播，从而构成了多模光纤。光在多模光纤中传播时，由于色散现象，会出现脉冲展宽现象，因此只适合近距离传输
  
  若光纤的直径减小为只有光的一个波长，光就会在其中沿直线传播，而不是一直反射，这种光纤被称为单模光纤。光在单模光纤中传播时，没有模式色散，且材料色散和波导色散大小相等、符号相反，因此光在单模光纤传播时不会出现脉冲展宽，适合远距离传输 (制造成本较高，且光源只能使用昂贵的半导体激光器)
  
  光纤通信的常用光波波段中心波长：850nm (衰减较大，但其他特性较好) 1300nm (衰减较小) 1550nm (衰减较小)
  
  显示中使用时需要将光纤包装成光缆以提高强度 (一个光缆内可包含一根或多根光纤)
非导向型传输媒体

包括：无线电波、微波、红外线、大气激光、可见光

当前紫外线、X射线和 \(\gamma\) 射线无法用于通信

我国的无线电频谱管理机构：工业和信息化部无线电管理局 (国家无线电办公室)

美国的无线电频谱管理机构：联邦通讯委员会 (FCC)

可自由使用的一些无线电频段 ISM (Industrial, Scientific and Medical) 频段
- 无线电波：
  
  低频 (LF) 和中频 (MF) 波段，无线电波主要以地面波的形式沿着地面传播
  
  在高频和甚高频波段，无线电波主要依靠电离层的反射，回到地表 (地面波会被吸收)
- 微波
  
  在地面沿直线传播，会穿过电离层，无法通过电离层反射，传输距离较近，远距离通信需要中继站，卫星通信即将卫星作为微波的中继器】
- 红外线
  
  点对点无线传输，直线传输，中间不能有障碍，传输距离短，传输速率低
- 激光
  
  分为大气激光通信和光纤通信
- 可见光

传输方式¶

串行传输与并行传输¶

串行传输：在发送端和接收端之间只有一条数据传输线路，数据在该线路逐比特依次传输

并行传输：在发送端和接收端之间有多条传输线路，数据可分散在不同线路中进行传输

并行传输中数据传输线路的数量被称为数据总线宽度

并行传输成本高，仅用于短距离传输，如计算机内部的传输，远距离传输通常使用串行传输

计算机中的网卡同时支持并行传输 (对内) 和串行传输 (对外)，因此计算机中的网卡在发送和接收数据时需要进行串并转换

同步传输和异步传输¶

同步传输：

以比特位传输单位，数据块以比特流形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和终止位，接收方在比特信号的中间时刻进行采样，以判断该比特值，即要求收发双方对表示比特的时间长度达成一致 (同步)，但在不采取其他措施的情况下，首发双方的时钟频率无法完全同步，随着误差积累，最终会导致比特误判

时钟同步方法：

内同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线

外同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送 (如曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码)

异步传输：

以字节为传输单位，但字节之间的时间间隔不固定，接收端在字节的起始处对字节内的比特实现同步，因此要为每个字节添加起始位和终止位

异步是指字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定

字节内的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间同步