第二章：物理层

物理层基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务描述为:确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
a) 机械特性: 接口形状，大小，引线数目
b) 电气特性：规定电压范围(-5V到+5V)
c) 功能特性：规定-5V表示0，＋5V表示1
d) 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

数据通信基础知识

信道：
一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

单向通信（单工通信）：
只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如：计算机和打印机之间的通信是单工的，因为只有计算机向打印机传输数据，而没有反向的数据传输。

双向交替通信（半双工通信）：
通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。例如：对讲机之间的通信。

双向同时通信（全双工通信）：
通信的双方可以同时发送和接收信息。例如：电话之间的通信。

基带信号（即基本频带信号）：
来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号

常见编码方式

单极性不归零码：
只使用一个电压值，用高电平表示1，低电平表示0.
双极性不归零码：
用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。
单极性归零码：
以高电平和零电平分别表示二进制码1 和0，而且在发送码1 时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平
双极性归零码：
正负零三个电平，信号本身携带同步信息。
上述几种编码方式如下图所示：
单极性编码的缺点是没有办法区分此时是没有信号，还是有信号，但是信号是0。
但是采用曼彻斯特编码可以避免这一问题。
曼彻斯特编码:这种编码方式是bit中间有信号，低-高跳转表示0，高-低跳转表示1，一个时钟周期只可以表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。它能携带时钟信号，而且能区分此时是没有信号还是信号为0（信号为0是存在跳转，没有信号则不存在跳转）
差分曼彻斯特编码:
差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但是抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0；bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方式如下图所示：

物理层下面的传输媒介

导向传输媒体：
导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

双绞线（屏蔽双绞线STP/非屏蔽双绞线UTP）：
铜线缠绕在一起可以降低电磁干扰。
同轴电缆：
50欧姆同轴电缆(基带同轴电缆)——用于数字传输，多用于基带传输；
75欧姆同轴电缆(宽带同轴电缆)——用于模拟传输，多用于带通传输；
光缆
网线：
直通线——双绞线夹线顺序两端一致(1白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕，口诀“橙白橙/绿白蓝/蓝白绿/棕白棕”)，这是100M的标准(568B)，也称正线/标准线/直通线。当用于10M和100M时，下图只用了1，3，2，6线。对于1000M的网络，8根线都会用上。

直通线应用最广，这种类型的以太网电缆用来实现以下连接：
主机到交换机/集线器；
路由器到交换机/集线器。
交叉线——一般不同设备连接用直通线，同类设备用交叉线。也用于集线器到交换机，路由器到主机连接。
注：现在网卡能够自动协商，所以交叉线和直通线已经无所谓了，连错了也没关系。
光纤：

光线在纤芯中传输的方式是不断的全反射。
单模光纤——只能传输一种电磁波；直径小；用于有线电视网络，传播特性好，带宽可达10GHz，可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目。
多模光纤——能传输多种电磁波；直径大。

非导向传输媒体：

非导向传输媒体指自由空间，其中的电磁波传输称为无线传输。无线传输的频段很广。
物理层设备——集线器：
工作特点是在网络中只起到信号放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。最大传输距离是100m；集线器是一个大的冲突域(意思是某个时间点只能是2台设备进行通信)。
现在很少用集线器了，它不安全，一般用交换机。

信道复用技术

频分复用（FND）：
用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终站用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(带宽指频率带宽不是数据的发送速率)。
连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。
单位：b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s。
时分复用（TDM）：
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度对应的时间）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用可能会造成线路资源的浪费。
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
统计时分复用（STDM）：
需要在放置前添加标记。
波分复用（WDM）：
波分复用就是光的频分复用。

笔记课程来源于：https://www.bilibili.com/video/BV1Hx411D7rn?from=search&seid=12813912924215463699

更多精彩内容请关注VX公众号——【技术小白要崛起】