核心内容摘要
探索“天天曰天天干”的深层含义：不止于表面的激情
计算机网络·物理层Physical Layer
1 物理层的基本概念物理层是 OSI 体系结构中的最底层也是最容易被忽视、却最难被绕开的层次。
基本概念如何在一条物理链路上传输 0 和 1。
需要强调的是物理层并不关心比特的含义也不关心这些比特最终会被谁接收。
它的职责边界非常清晰主要包括规定接口的机械特性插头形状、引脚数量规定接口的电气特性电压范围、阻抗规定信号的功能特性哪根线发送、哪根线接收规定信号的过程特性时序、同步方式换句话说物理层解决的是“怎么发得出去”而不是“发的是什么”。
2 数据通信的基础知识数据通信的本质数据通信的本质是在发送端将数据转换为信号在接收端再将信号还原为数据。
数据运送信息的实体0 和 1信号**数据的电气或电磁的表现电信号、光信号、电磁波**数据通信系统的模型分为三个部分源系统目的系统传输系统
2.
1 数据通信系统的模型一个典型的数据通信系统可以抽象为五个部分信源产生数据的设备发送器将数据转换为信号信道信号传播的媒介接收器将信号还原为数据信宿接收数据的终端在这个模型中信道并不是“透明的”。
它会带来噪声衰减失真也正因为如此数据通信才成为一门工程学而不是简单的连线问题。
2.
2 有关信道的几个基本概念单向通信、双向交替通信和双向同时通信单向通信只能一个方向传输广播双向交替通信半双工双方轮流发送对讲机双向同时通信全双工双方可同时发送电话基带信号与带通信号基带信号信号频率从 0 开始直接表达数据带通信号通过调制将基带信号搬移到高频在远距离传输中几乎总是采用带通信号。
码元与码元速率码元信号的基本波形单位码元速率波特率每秒传输的码元数注意码元速率 ≠ 比特率一个码元可以承载多个比特这是高速通信的关键。
2.
3 信道的极限容量信道并不是“想发多快就能多快”。
A.奈奎斯特定理无噪声在理想无噪声条件下最高码元速率 2W其中 W 为信道带宽。
B.香农公式有噪声信噪比信号的平均功率和噪声的平均功率之比常记为 S/N 通常用分贝dB表示度量单位在实际有噪声条件下信道的极限容量为C W · log₂(1 S/N)提高功率 → 收益递减扩大带宽 → 更有效
3 物理层下面的传输媒体传输媒体是信号真正“跑”的地方。
分类视角物理层通常将传输媒体分为导引型传输媒体非导引型传输媒体
2.
1 导引型传输媒体导引型媒体为信号提供了明确的传播路径。
双绞线成本低、应用广抗干扰能力通过“绞合”实现常用于局域网以太网同轴电缆抗干扰能力强于双绞线早期以太网、电视网络常用光纤传输距离远带宽极高抗电磁干扰光纤是现代骨干网的绝对主力。
2.
2 非导引型传输媒体非导引型媒体依靠电磁波在自由空间传播。
无线电波穿透能力强覆盖范围大易受干扰微波方向性强常用于点对点通信、卫星通信红外与可见光短距离保密性好需要视距传播
4 信道复用技术复用的核心思想发送端用一个复用器用一个共享信道传送所有的信号接收端用一个分用器把合起来传输的信息分别送往终点
2.
1 频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用FDM各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源将频谱划分为多个子频带每路信号占用一个频带适合模拟通信时分复用TDM各路信号在不同的时间占用不同的带宽资源时间被切分为固定时隙各用户轮流使用信道利用率受限于最慢用户统计时分复用按需分配时隙只给“活跃用户”资源显著提高链路利用率现代分组交换网络本质上依赖统计复用思想。
2.
2 波分复用WDM波分复用是光纤通信的灵魂技术。
不同波长 ≈ 不同“颜色”的光多路光信号在同一根光纤中并行传输通过 WDM一根光纤的容量被成数量级地放大。
2.
3 码分复用CDM各路信号在同样的时间占用同样的频带宽度码分复用采用的是一种“反直觉”的思路所有用户同时使用全部频带每个用户拥有唯一的码片序列接收端通过相关运算区分信号CDM 的代表技术是CDMA其抗干扰能力和安全性极强。
小结为什么物理层并不“简单”物理层看似只是在“传信号”但实际上它决定了网络的性能上限它连接了数学模型与真实世界它是所有高层协议的地基当你在应用层写下一行代码时背后是一整套精密的物理层设计在默默兜底。