物理层的两个重要定理_物理层的四大特性

第 2 章 物理层

1、思维导图

2、物理层接口特性

物理层需要解决的问题

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。物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 ==> 定义标准

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。比如某网络在物理层规定，信号的电平用 +10V~+15V 表示 二进制 0，用 -10V~-15V 表示二进制 1，电线长度限于 15m 以内
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。 比如描述一个物理接口引脚处于高电平时的含义
4. 规程（过程）特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

3、数据通信基础知识第一话

3.1、典型的数据通信模型

端系统之间的通信流程

端系统与端系统之间通信需要经过如下步骤：

1. 发送方端系统将信息转换为数字信号，发送给调制解调器
2. 发送方调制解调器将数字信号转换为模拟信号
3. 模拟信号经广域网传输到达接收方的调制解调器
4. 接收方调制解调器将模拟信号转换为数字信号
5. 接收方端系统接收数字信号，转换为直男语录：在吗？在干嘛？多喝热水！

3.2、数据通信相关术语

通信相关术语

通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）。

1. 数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
2. 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
   1. 数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。
   2. 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。
3. 信源：产生和发送数据的源头。
4. 信宿：接收数据的终点。
5. 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一 条发送信道和一条接收信道。

---

信号的分类：

1. 按传输信号分类：模拟信道（传送模拟信号）和数字信道（传送数字信号）
2. 按传输介质分类：无线信道和有线信道

3.3、如何设计数据通信系统

3.3.1、设计通信系统要考虑的3个问题

待解决的三个问题

1. 采用单工通信/半双工/全双工通信方式?
2. 采用串行通信/并行通信方式？
3. 采用同步通信/异步通信方式？

3.3.2、三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。比如广播只能主持人说话，我们听着

   

2. 半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道（信号有方向）。比如对讲机只能一人说话，另一人听着，无法同时说话

   

3. 全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。比如打电话。。。

   

3.3.3、串行传输 & 并行传输

串行 & 并行

1. 串行传输将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。 速度慢，费用低，适合远距离

   

2. 并行传输 将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。 速度快，费用高，适合近距离

   

---

并行传输一般用于计算机内部进行数据传输

3.3.4、同步传输 & 异步传输

同步 & 异步

1. 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块（Block）为单位，在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。

   

2. 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻 发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终 止位。

   

3.4、本节课总结

4、数据通信基础知识第二话

4.1、码元

码元的定义

1. 码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计 量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元。

   

2. 1个码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代 表1状态。

3. k进制码元：4进制码元 ==> 码元的离散状态有4个 ==> 4种高低不同的信号波形 ==> 00、01、10、11

4.2、速率的表示方法

码元传输速率 & 信息传输速率

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

1. 码元传输速率（1s传输多少码元）：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的 码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个 码元。
2. 信息传输速率（1s传输多少比特）：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数） 单位是比特/秒（b/s）。

---

注意事项

数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关

码元传输速率与信息传输速率的关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s

举个例题

例题 1：某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多 少?信息传输速率是多少？若另一通信系统传输的是十六进制码元，6s传输了 7200个码元，求 他的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快？

答案：2000Baud，4000b/s ；1200Baud，4800b/s ；十六进制更快

1. 四进制码元系统：码元传输速率就是8000/4=2000Baud，信息传输速率就是2000*log₂4=4000b/s
2. 十六进制码元系统：码元传输速率就是7200/6=1200Baud，信息传输速率就是1200*log₂16=4800bit/s
3. 系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快。

---

例题 2：已知八进制数字信号的传输速率为leooBo试问变换成二进制数字信号时的传输速率是多少？

答案：4800b/s

---

例题 3：已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s。试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特？

答案：1200B

4.3、带宽

带宽(Bandwidth)的定义

1. 模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率 成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)
2. 数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率” /单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)

---

拥有更宽的带宽， 也就是有更大的信息运送能力！

5、奈斯准则 & 香浓定理

5.1、波形传输的失真

波形失真的几种形式

1. 有失真但可识别

   

2. 失真大无法识别

   

影响失真程度的因素

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

5.2、失真的一种现象——码间串扰

码间串扰的定义

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象（信号频率过高）

举个栗子

1. 信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差，比如下图的信道带宽为： 3300Hz-300Hz = 3000Hz
2. 频率低的信号容易衰减，等到了接收方基本就衰减没了
3. 频率高的信号接收方分辨不出来，信号起伏没有清晰的界限

5.3、奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则说了什么？

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。

为了混淆大家，再求一步极限数据率吧，理想低通信道下的极限数据传输率(b/s) = 2Wlog₂V，式中：W 为信道带宽，单位为 Hz，V 表示几种码元，即码元的离散电平数目

奈氏准则注意事项

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的 信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

举个例题

例：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具 有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链 路的最大数据传输率是多少？

答：信号有4×4=16种变化，最大数据传输率=2*3k*4=24kb/s

5.4、香农定理

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码 元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即信噪比(dB) = 10log₁₀(S/N)，或者直接用比值表示也行

香农定理说了什么？

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

信道的极限数据传输速率(b/s) = Wlog₁₀(1+S/N)，式中：W 为带宽，单位为 Hz，S/N 时信噪比，S是信道所传信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率

香农定理注意事项

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。

3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。

4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

举个例题

例：电话系统的典型参数是信道带宽为 3000Hz ,信噪比为30dB ,则该系统最大 数据传输速率是多少？

答：由 30dB = 10log₁₀(S/N) 可得 S/N = 1000，则信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N)=3000 *log₂(1+1000)，约等于 30kb/s

5.5、奈氏 & 香浓的比较

奈氏与香浓之间的比较

奈氏准则（内忧）	香农定理（外患）
带宽受限无噪声条件下，为避免码间串扰，码元传输速率的上限2W	带宽受限有噪声条件下的信息传输速率
理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V	信道的极限数据传输速率=Wlog10(1+S/N)
要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术。	要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比。

举个栗子

题目：二进制信号在信噪比为127 : 1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少？

奈氏：2*4000*log₂2 = 8000b/s

香浓：4000log₁₀(1+127) = 28000b/s

选择两者之间的较小值，所以该信道最大的数据速率可达到 8000b/s

6、编码 & 调制

6.1、基带信号 & 宽带信号

信道的定义

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一 条发送信道和一条接收信道。

---

信道的分类

1. 按传输信号分：模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）
2. 按传输介质分：无线信道有线信道

信道上传送的信号

1. 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。 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。
2. 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅 在一段频率范围内能够通过信道）。

如何选择？

1. 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
2. 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

6.2、编码 & 调制概念

编码与调制

1. 编码：数据 –> 数字信号
2. 调制：数据 –> 模拟信号

6.3、数字数据编码为数字信号

常用编码方式

1. 非归零编码（NRZ）
2. 曼彻斯特编码
3. 差分曼彻斯特编码

不常用编码方式

1. 归零编码（RZ）

2. 反向不归零编码（NRZI）

3. 4B/5B编码

6.3.1、非归零编码

非归零编码（NRZ）

非归零编码（NRZ）是最简单的编码了，1 表示高电平，0 表示低电平。

编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。（除非多添加时钟信道加以同步）

6.3.2、归零编码

归零编码（RZ）

归零编码（RZ）：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。从高电平跳变到低电平表示 1，一直为低电平表示 0

归零编码低电平占用时间多，信道利用率较低

6.3.3、反向不归零编码

反向不归零编码（NRZI）

反向不归零编码（NRZI） ：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。跳沿作用于下一个码元。

如果发送连续的 1，则信道一直是高电平，接收方无法分辨发送方发送了多少了 1，则还是需要额外的时钟同步信号

如果发送连续的 0，信号信号一直在翻转，则可以分辨

6.3.4、曼彻斯特编码

曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。

该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

6.3.5、差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。跳沿作用于下一个码元。

该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

6.3.6、4B/5B编码

4B/5B编码

比特流中插入额外的比特以打破 一连串的0或1,就是用5个比特来 编码4个比特的数据，之后再传给 接收方，因此称为4B/5B。编码效 率为80%。

只采用16种对应16种不同的4位码, 其他的16种作为控制码(帧的开 始和结束，线路的状态信息等) 或保留。

6.4、数字数据调制为模拟信号

调制：数字数据 → 模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制 解调器的调制和解调过程。

四种调制方式：

1. 调幅：无振幅表示 0，有振幅表示 1
2. 调频：低频表示 0，高频表示 1
3. 调相：两种波形相位，比如正弦波表示 0，余弦波表示 1
4. 调幅 + 调相（QAM）

举个例题

例：某通信链路的波特率是1200Baud,采用4个相 位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则 该链路的信息传输速率是多少？

答：一共有 4*4 = 16 种波形 –> 16 种码元 –> 2⁴ = 16 –> 4 个比特位对应于一个码元 –> 信息传输率 = 1200 * 4 = 4800b/s

6.5、模拟数据编码为数字信号

编码：模拟数据 → 数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表 示的离散序列（即实现音频数字化）。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）,在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是 PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步： 抽样、量化、编码。

PCM 编码

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f_采样频率 >= f_{信号最高频率}
2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

举个栗子

下图将连续模拟信号离散，并以 16 种离散状态（4 比特）进行离散化处理

---

关于 f_采样频率 >= f_{信号最高频率} 的理解

现实生活中的连续信号都可以由傅里叶变换进行分解，分解为一系列正弦波的叠加组合

正弦波的表达式为：y = Asin(wt+phi)，我们不关系正弦波的相位，其实只需要两个采样点就求出正弦波的频率，即在一个采样周期内需要采集两个采样点，即 2f_信号频率

对于 1Hz 的正弦波，至少需要两个采样点才能求出其频率

---

关于音频信号的采样率

1. 人耳能分辨 20Hz~20KHz 的声音频率，所以需要保证音频信号的采样率 >= 2*20K = 40KHz
2. 采样频率越高，音频信号越不会出现保真现象

6.6、模拟数据调制为模拟信号

调制：模拟数据 → 模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽 资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

举个栗子

话筒输出的模拟信号频率低，容易衰减，转成高频信号，不易受损和衰减

6.7、本节课小结

7、数据交换方式

7.1、为什么需要数据交换？

数据交换的必要性

端系统之间两两连接，需要超级多的线路哦

但是如果将端系统与交换设备相连接，通过交换设备时间端系统之间的互联，线路就会减少很多哟~

交换是通过某些交换中心将数据进行集中和传送。传输线路为各个用户共用，从而大大节省通信线路，降低系统费用。

在局域网内一般使用交换机作为交换设备，在广域网中一般使用路由器作为交换设备

交换设备多了就组成了交换网络

7.2、数据交换的三种方式

数据交换的三种方式

1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换
   1. 数据报方式
   2. 虚电路方式

7.3、电路交换

电路交换的原理

在数据传输期间，源结点与目的结 点之间有一条由中间结点构成的专 用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。

举个栗子

端系统 A 发送呼叫（连接）请求，端系统 B 接收到请求后，按原路发送响应请求给端系统 A，一旦建立连接，这条通路就保持使用状态，别人无法使用

端系统 A 发送呼叫（连接）请求，端系统 B 接收到请求后，按原路发送响应请求给端系统 A

电路交换的三个阶段

电路交换特点

独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远 程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

电路交换的优缺点

7.4、报文交换

报文交换(Message Exchanging)

报文：报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的 完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。

报文交换的优缺点

7.5、分组交换

分组交换(Packet Exchanging)

分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐 块地发送，这种小块就称作分组(packet)。

分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网 中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、 存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组 装成信息或报文。

分组交换的优缺点

7.5.1、数据报方式

数据报方式发送流程

1. 源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A）。
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同。
3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本。
4. 结点D收到分组P2后，对分组P2进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到D确认后则丢弃分组P2副本。
5. 所有分组到家辽（主机B） ！到达后按发送编号重组即可得到主机A发送的信息

数据报方式的特点

1. 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
2. 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失。
3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号。
4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分 组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信。

---

无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。

7.5.2、虚电路方式

虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。

一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。

虚电路方式的通信流程

虚电路方式的特点

1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
3. 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择。
4. 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
5. 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

---

连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。

7.5.3、数据报 & 虚电路的比较

7.6、数据交换方式的选择

如何选择数据交换的方式

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫 时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时, 采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交 换优于电路交换（没有独占资源），其中分组交换比报文交 换的时延小，尤其适合于计算机之间的突 发式的数据通信。

7.7、本节课总结

8、传输介质

8.1、传输介质及分类

传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。 但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

如果说物理层是傻瓜，传输媒体连傻瓜都不如

传输介质的分类

1. 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。
2. 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

8.2、导向性传输介质之双绞线

双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层， 这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP)。

---

为什么时双绞线？

根据右手定则产生的电磁波大小相等相互抵消

---

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在 局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几 公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输， 要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要 用中继器将失真的信号整形。

8.3、导向性传输介质之同轴电缆

同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分 为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它 在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

---

同轴电缆 vs 双绞线

由于外导体屏蔽层的作用， 同轴电缆抗干扰特性比双绞 线好，被广泛用于传输较高 速率的数据，其传输距离更 远，但价格较双绞线贵。

---

电视信号接口用的就是同轴电缆

8.4、导向性传输介质之光纤

光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1,无光脉冲表示0。而可见光的频 率大约是10⁸MHz,因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电 二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤主要由纤芯（实心的！）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的 介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包 层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

因此光纤传输有着超低的损耗，适用于超远距离的传送

单模光纤 & 多模光纤

1. 单模光纤沿单一直线方向传输，基本不发生反射和折射，所以损耗小
2. 多模光纤有多种方向的入射光线，反射次数多，损耗大

---

这个光纤好好看

---

一根光缆少则只有一根光纤，多则包括十至数百根光纤。

光纤的特点

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

8.5、非导向性传输介质

1、无线电波

无线电波的信号向所有方向传播，其较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。

2、微波

微波的信号沿固定 方向传播，微波通信频率较高、频段范 围宽，因此数 据率很高。

---

微波的典型应用

1. 地面微波接力通信
2. 卫星通信

3、红外线、激光

红外线、激光的信号沿固定 方向传播，先把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间传播

8.6、本节课总结

9、物理层设备

9.1、中继器

中继器的诞生原因

由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接 收错误。

中继器的功能

对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以増加信号传输的距离，延长 网络的长度。

中继器的两端的设备

1. 两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
2. 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是 否有错误数据或不适于网段的数据。
3. 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
4. 中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发，傻）

5-4-3规则

5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

所谓“5-4-3规则”，是指在10M以太网中，网络总长度不得超过5个区段，4台网络延长设备，且5个区段中只有3个区段可接网络设备。

9.2、集线器（多口中继器）

集线器的功能

对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作 状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

集线器就是一个物理层的多端口中继器。表面上是星形拓扑，实际上就是一个总线网络（把总线浓缩到机箱中）。因此，如果一个端口发送，其他所有端口都可以收到（总线的特性）。因此，只要有2个端口同时发送数据，必然造成冲突。也就是说，它们共同组成一个冲突域。因此，连接在同一集线器上的工作主机会平分带宽

10、本章小结

今天的文章物理层的两个重要定理_物理层的四大特性分享到此就结束了，感谢您的阅读。