编程与数学 03-002 计算机网络 03_物理层基础

摘要：本文为计算机网络课程中关于物理层基础的学习笔记。物理层负责在物理媒体上传输原始比特流，涉及选择合适的传输媒体如双绞线、同轴电缆和光纤，确定信号传输方式包括基带和频带传输，以及实现数据编码与解码技术，如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码和PCM。物理层设备如中继器和集线器，用于放大、再生和转发信号，扩展网络覆盖范围和连接能力。通过学习物理层的基础知识，可深入理解计算机网络的物理基础和信号传输原理。

关键词：计算机网络、物理层、传输媒体、信号传输、数据编码、中继器、集线器

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一、物理层的作用与任务

（一）传输媒体的类型

物理层的主要任务之一是负责在物理媒体上传输原始的比特流。传输媒体是物理层的基础，它决定了信号的传输方式和传输质量。常见的传输媒体类型包括双绞线、同轴电缆、光纤等。

1. 双绞线（Twisted Pair Cable）

   • 结构：双绞线由两根相互绝缘的铜导线绞合而成。绞合的目的是减少电磁干扰，提高信号的传输质量。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两种。屏蔽双绞线在双绞线的基础上增加了屏蔽层，可以进一步减少电磁干扰，但成本较高。
   • 应用：双绞线广泛应用于局域网（LAN）中，如以太网。双绞线的传输距离相对较短，一般在100米以内。双绞线的优点是成本低、安装方便，适合短距离的网络连接。
   • 传输速率：双绞线的传输速率一般在100Mbps到1000Mbps之间，具体速率取决于双绞线的类型和质量。

2. 同轴电缆（Coaxial Cable）

   • 结构：同轴电缆由中心导体、绝缘层、屏蔽层和外护套组成。中心导体用于传输信号，屏蔽层用于减少电磁干扰，外护套用于保护电缆。同轴电缆的抗干扰能力强，传输距离较远。
   • 应用：同轴电缆广泛应用于有线电视网络和早期的局域网中。在有线电视网络中，同轴电缆用于传输电视信号；在局域网中，同轴电缆用于连接计算机和网络设备。同轴电缆的传输距离一般在100米到500米之间。
   • 传输速率：同轴电缆的传输速率一般在10Mbps到100Mbps之间，具体速率取决于电缆的质量和网络协议。

3. 光纤（Optical Fiber）

   • 结构：光纤由纤芯、包层和护套组成。纤芯用于传输光信号，包层用于限制光信号在纤芯中传播，护套用于保护光纤。光纤的传输原理是利用光的全反射原理，将光信号限制在纤芯中传播。
   • 应用：光纤广泛应用于广域网（WAN）和高速局域网中。光纤的传输距离远、带宽高、抗干扰能力强，适合长距离、高速率的网络连接。光纤的传输距离一般在几公里到几十公里之间，甚至更远。
   • 传输速率：光纤的传输速率可以达到1Gbps甚至更高，具体速率取决于光纤的类型和网络协议。

（二）信号的传输方式

信号的传输方式决定了信号在传输媒体中的传播方式。常见的信号传输方式包括基带传输和频带传输。

1. 基带传输（Baseband Transmission）

   • 定义：基带传输是指将数字信号直接传输在物理媒体上，不进行调制。基带传输的信号频谱从零频率开始，因此称为基带信号。
   • 优点：基带传输的信号传输效率高，传输延迟小，适合短距离、高速率的网络连接。
   • 缺点：基带传输的信号容易受到电磁干扰，传输距离较短。基带传输的信号频谱较宽，容易与其他信号产生干扰。
   • 应用：基带传输广泛应用于局域网中，如以太网。在以太网中，基带信号直接在双绞线或同轴电缆上传输。

2. 频带传输（Bandpass Transmission）

   • 定义：频带传输是指将数字信号调制到载波信号上进行传输。频带传输的信号频谱不从零频率开始，而是从某个较高的频率开始，因此称为频带信号。
   • 优点：频带传输的信号抗干扰能力强，传输距离远，适合长距离的网络连接。频带传输的信号可以通过调制解调器（Modem）在普通电话线上进行传输。
   • 缺点：频带传输的信号传输效率较低，传输延迟较大。频带传输需要调制解调器进行调制和解调，增加了设备成本。
   • 应用：频带传输广泛应用于广域网中，如电话线网络。在电话线网络中，数字信号通过调制解调器调制到载波信号上进行传输。

二、数据编码技术

（一）数字数据的数字信号编码

数字数据的数字信号编码是指将数字数据转换为数字信号进行传输。常见的数字信号编码方式包括曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。

1. 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）

   • 定义：曼彻斯特编码是一种将数字数据转换为数字信号的编码方式。在曼彻斯特编码中，每个比特的时间间隔被分为两个相等的部分，每个部分的信号电平相反。例如，一个比特的值为1时，前半部分的信号电平为高，后半部分的信号电平为低；一个比特的值为0时，前半部分的信号电平为低，后半部分的信号电平为高。
   • 优点：曼彻斯特编码的信号具有自同步能力，接收方可以通过信号的电平变化恢复时钟信号。曼彻斯特编码的信号抗干扰能力强，适合在噪声较大的环境中传输。
   • 缺点：曼彻斯特编码的信号传输效率较低，每个比特需要两个信号电平变化，因此信号的带宽是原始数据的两倍。
   • 应用：曼彻斯特编码广泛应用于局域网中，如以太网。在以太网中，曼彻斯特编码用于将数字数据转换为数字信号进行传输。

2. 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）

   • 定义：差分曼彻斯特编码是一种改进的曼彻斯特编码方式。在差分曼彻斯特编码中，每个比特的时间间隔被分为两个相等的部分，每个部分的信号电平相反，但信号的电平变化取决于前一个比特的值。例如，一个比特的值为1时，信号的电平变化与前一个比特的值相反；一个比特的值为0时，信号的电平变化与前一个比特的值相同。
   • 优点：差分曼彻斯特编码的信号具有自同步能力，接收方可以通过信号的电平变化恢复时钟信号。差分曼彻斯特编码的信号抗干扰能力强，适合在噪声较大的环境中传输。
   • 缺点：差分曼彻斯特编码的信号传输效率较低，每个比特需要两个信号电平变化，因此信号的带宽是原始数据的两倍。
   • 应用：差分曼彻斯特编码广泛应用于局域网中，如以太网。在以太网中，差分曼彻斯特编码用于将数字数据转换为数字信号进行传输。

（二）模拟数据的数字信号编码

模拟数据的数字信号编码是指将模拟数据转换为数字信号进行传输。常见的模拟数据的数字信号编码方式包括脉冲编码调制（PCM）等。

1. 脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）
   • 定义：脉冲编码调制是一种将模拟信号转换为数字信号的编码方式。PCM编码过程包括采样、量化和编码三个步骤。采样是指在每个固定的时间间隔内对模拟信号进行采样，得到一系列的采样值；量化是指将采样值映射到有限的量化电平上，得到一系列的量化值；编码是指将量化值转换为二进制代码。
   • 优点：PCM编码的信号抗干扰能力强，适合在噪声较大的环境中传输。PCM编码的信号可以通过数字网络进行传输，提高了信号的传输质量。
   • 缺点：PCM编码的信号传输效率较低，需要较高的采样率和量化精度，因此信号的带宽较大。PCM编码的信号需要进行采样、量化和编码三个步骤，增加了设备成本。
   • 应用：PCM编码广泛应用于电话系统和音频信号的传输。在电话系统中，模拟语音信号通过PCM编码转换为数字信号进行传输；在音频信号的传输中，PCM编码用于将模拟音频信号转换为数字音频信号进行传输。

三、物理层的设备

（一）中继器（Repeater）

1. 功能
   • 信号放大：中继器的主要功能是放大信号，延长信号的传输距离。在长距离的网络连接中，信号会因为传输损耗而减弱，中继器可以对信号进行放大，恢复信号的强度。
   • 信号再生：中继器不仅可以放大信号，还可以对信号进行再生。再生是指对信号进行重新整形和恢复，消除信号在传输过程中产生的失真和噪声。
   • 扩展网络范围：中继器可以扩展网络的覆盖范围，使得网络可以连接更多的设备。通过在多个中继器之间连接电缆，可以构建一个较大的网络。
2. 工作原理
   • 信号检测：中继器通过检测输入信号的电平和波形，判断信号的有效性。当检测到有效的信号时，中继器开始对信号进行放大和再生。
   • 信号放大：中继器对输入信号进行放大，恢复信号的强度。放大后的信号具有更高的电平和更好的波形质量。
   • 信号再生：中继器对放大后的信号进行再生，消除信号在传输过程中产生的失真和噪声。再生后的信号具有更好的信号质量和更高的可靠性。
3. 应用场景
   • 局域网扩展：中继器广泛应用于局域网中，用于扩展网络的覆盖范围。在局域网中，中继器可以连接多个网段，使得网络可以连接更多的设备。
   • 长距离传输：中继器可以用于长距离的网络连接，延长信号的传输距离。在长距离的网络连接中，中继器可以对信号进行放大和再生，保证信号的传输质量。

（二）集线器（Hub）

1. 功能
   • 信号转发：集线器的主要功能是将输入的信号转发到所有输出端口。集线器可以连接多个设备，将一个设备发送的信号转发到其他所有设备。
   • 扩展网络连接：集线器可以扩展网络的连接能力，使得网络可以连接更多的设备。通过在多个集线器之间连接电缆，可以构建一个较大的网络。
   • 简单网络管理：集线器可以提供简单的网络管理功能，如信号强度指示、端口状态指示等。通过这些功能，网络管理员可以监控网络的运行状态，及时发现和解决问题。
2. 工作原理
   • 信号接收：集线器通过输入端口接收来自设备的信号。集线器可以接收多种类型的信号，如数字信号和模拟信号。
   • 信号转发：集线器将接收到的信号转发到所有输出端口。转发的信号具有与输入信号相同的电平和波形质量。
   • 冲突检测：集线器可以检测网络中的冲突。当多个设备同时发送信号时，集线器可以检测到冲突，并采取相应的措施，如停止转发信号，等待冲突解决后再继续转发。
3. 应用场景
   • 小型局域网：集线器广泛应用于小型局域网中，用于连接多台计算机和网络设备。在小型局域网中，集线器可以提供简单的网络连接和信号转发功能，满足用户的基本需求。
   • 网络扩展：集线器可以用于网络的扩展，连接多个网段。通过在多个集线器之间连接电缆，可以构建一个较大的网络，满足用户对网络连接的需求。

四、总结

物理层是计算机网络的基础层，它负责在物理媒体上传输原始的比特流。物理层的主要任务包括选择合适的传输媒体、确定信号的传输方式和实现数据的编码与解码。常见的传输媒体类型包括双绞线、同轴电缆和光纤，每种传输媒体都有其独特的特性和应用场景。信号的传输方式包括基带传输和频带传输，每种传输方式都有其优点和缺点。数据编码技术包括数字数据的数字信号编码和模拟数据的数字信号编码，常见的编码方式有曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码和脉冲编码调制（PCM）。物理层的设备包括中继器和集线器，它们的主要功能是放大信号、再生信号和转发信号，扩展网络的覆盖范围和连接能力。通过学习物理层的基础知识，我们可以更好地理解计算机网络的物理基础和信号传输原理，为后续的深入学习打下坚实的基础。