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(二)物理層----(上)

序言
    這是對計算機網路基礎教程(第四版)謝希仁 謝鈞 書的講解,因為書中很大一部分都是理論上的文字,初學者對這些文字會感到有一種很不理解,不知道講什麼東西,時間一長,就失去耐心了,所以在這裡寫下自己學習時的一些理解, 所寫文字中包括我自己的一些話,可包括從別的地方中摘取的一些好的總結的文字和圖片,請不要大驚小怪。我也是一直菜鳥。 謝謝  ---------  WH
一、物理層
  前面介紹了ISO層次,包括7層 ,通過TCP/IP協議只將7蹭概括為4層,我們將學習其中的5層, 應用層(包括表示層,會話層)、傳輸層、網路層、資料鏈路層、物理層,這裡就介紹物理層

                                  

二、物理層的基本概念
    解決如何在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流,而不是指具體的傳輸媒體 (通俗的講就是傳輸的資料是通過何種方式,以什麼形態傳輸的,類似於我們說話,別人是如何聽到的,通過的就是聲波,計算機傳資料,又是怎麼樣吧資料帶過去的呢)
 主要任務:確定與傳輸媒體的介面的一些特性,即 機械特性、電氣特性、功能特性、過程特性    
 機械特性:介面形狀、大小、引線數量等,通俗講也就是網線的水晶頭的設計等一些規定
 電氣特性:規定電壓範圍(-5V~+5V)等  在網線中傳輸時所用的電壓範圍
 功能特性:例 規定-5V代表0 +5V代表1  用電壓的大小來表示 0 和 1
 過程特性:也稱規程特性 規定建立連線時各個相關部件的工作步驟
    對於這幾個特性,個人覺得大概瞭解一下即可,也沒必要死記。

三、資料通訊的基礎知識
        這部分講解的就是一些最基本的知識,各種名詞,耐著心子,其實就是理解一下,很簡單
  1、資料通訊模型
              通過下面的一張圖,和我畫的輔助理解的註釋, 可以輕鬆的瞭解到以下的一些資訊,源點、傳送器、接受器、終點  和  源系統 -- 傳輸系統 --- 目的系統 的對應關係。
              PC機要發的資料會轉換為010101,數字位元流就代表著010101傳給調變解調器,調變解調器將數字位元流轉換為模擬訊號,通過公用電話網傳到很遠的目的地去。然後逆過來解析成原資料就行了。
              提到的數字位元流、模擬訊號之後會講解到,這樣,我們就大概瞭解了資料通訊的模型了,大概知道資料是轉換成哪種形勢傳到目標中。

2、相關的一些術語
   通訊的目的是傳送資訊
   資料:運送資訊的實體
   訊號:資料的電氣或電磁的表現 通俗講就是通過電氣或者電磁的一些表現形式來代表我們的資料,這就是我們說的訊號,電氣、電磁,比如一些電磁波等
   數字訊號:代表訊息的引數的取值是離散的,下面就是數字訊號,通過一高一低,不連續的波。

                                               

      模擬訊號:代表資訊的引數的取值是連續的,下面就是模擬訊號, 有高有低,但是是連續的波

                                            

     碼元:在使用時間域的波形表示數字訊號時,則代表不同離散數值的基本波形就成為碼元。  太理論的語言,看了跟沒看一樣,其實碼元很簡單,看下圖,在數字訊號中,帶著0或者1的波形就是一個碼元

               

        碼元長度:每一個碼元都是通過一段時間間隔來表示, 這個時間間隔就是碼元長度。
     注意:1碼元可以攜帶nbit的資訊量,並不是1碼元就只能代表1bit的資訊量,可以是nbit,也就是說上面1碼元就代表0或1這樣1bit的資訊量.

     3、通道和傳輸方式
     通道一般表示向一個方向傳送資訊的媒體,所以平常說的通訊線路往往包含一條傳送資訊的通道和一條接受資訊的通道
     單工通訊:也就是單向通訊,只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動
     半雙工通訊:也就是能雙向通訊,但是不能同時通訊,一方在傳送資料,另一方必須接受資料,等待對方發完,然後自己才能發,例如,電視裡面軍方的對講機,都是隻有等待一方說完話,另外一方才能說話。
     全雙工通訊:相對於半雙工通訊來講,就是能同時通訊且雙向,例如,電話。
  4、基帶訊號和帶通訊號
     基帶訊號:即基本頻帶訊號,來自信源的訊號,像計算機輸出的代表各種文字或影象檔案的資料訊號都屬於基帶訊號,基帶訊號就是發出的直接表達了要傳輸的資訊的訊號,例如,我們說話的聲波就是基帶訊號
     帶通訊號:把基帶訊號經過載波調製後,把訊號的頻率範圍移到較高的頻段以便在通道中傳輸
      舉個例子來助於我們理解這兩個概念  所以在一開始的資料通訊模型中,就知道哪個是基帶訊號,哪個是帶通訊號了。
     
    5、編碼和調製
    編碼:人們將數字資料轉換為數字訊號的過程稱為編碼
    調製:將數字資料轉換為模擬訊號的過程稱為調製
    編碼方式
    單級性不歸零碼:只使用一個電壓值,用高電壓表示1,沒電壓表示0
    雙極性不歸零碼:用正電平和負電平分別表示二進位制資料的1和0,正負幅值相等
    單極性歸零碼:單極性歸零碼(RZ)即是以高電平和零電平分別表示二進位制碼1 和0,而且在傳送碼1 時高電平在整個碼元期間T 只持續一段時間τ,其餘時間返回零電平
    雙極性歸零碼:正負零三個電平,訊號本身攜帶同步資訊
   通過圖來理解

     

              曼徹斯特編碼:由高變低為1、由低變高為0 它可以表示沒有資料傳輸的狀態。
     差分曼徹斯特編碼:bit與bit之間有訊號變化(不管是從高變低還是低變高)為0,沒訊號變化為1. 優點:和曼徹斯特編碼一樣,但是抗干擾性強於曼徹斯特編碼

        調製方式
   調幅:載波的振幅隨基帶數字訊號而變化
   調頻:載波的頻率隨基帶數字訊號而變化
   調相:載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化

     

      6、通道極限容量:
   就是在通道中傳輸訊號時,會有雜質干擾,所以有一個通道極限容量來衡量在通道中最多的容量為多少時,能抵禦干擾,正確的到達目的

     

     7、奈氏準則
   在假定的條件下,為了避免碼(碼元)間串擾,碼元的傳輸速率的上限值
   注意:Baud(波特) 和 Bit 的區別
      Baud:碼元傳輸的速率單位 碼元傳輸速率 也稱為調製速率,波形速率或符號速率
          1Baud  = 1 碼元/秒 = n Bit/s 就是這個關係。
   問題:在排除外界干擾的情況下,為什麼碼元傳輸速率還有上限值?
     分析:如果速率沒有上限值,則接收器在速率太高的情況下,來不及分別訊號的強弱,這樣就不能清楚的分析出01010了。就好比,一個人說話很快很快,你的聽力分析能力跟不上人家說的話,就導致無法聽清別人說的話,如果說的比較慢,我們就有時間來分析人家說的是什麼,就是這個意思。

  8、信噪比 和 夏農公式
    信噪比: S/N  
       S:通道內所傳訊號的平均功率;N為通道內部的高斯噪聲功率。
    夏農公式: C = W log2 (1+S/N) bit/s
           C:通道的極限資訊傳輸速率; W:通道的寬頻
    夏農公式表明:
       1、通道的頻寬(W)或通道中的信噪比越大(S/N),則資訊的極限傳輸速率就越高。
       2、只要資訊傳輸速率低於通道的極限資訊傳輸速率,就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸
       3、若通道頻寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限(當然實際通道不可能是這樣的),則通道的極限資訊傳輸速率 C 也就沒有上限。
       4、實際通道上能夠達到的資訊傳輸速率要比夏農的極限傳輸速率低不少。