探秘计算机网络物理层:信息世界的基石

目录

一、物理层:网络世界的根基

一、物理层基础概念

(一)物理层的定义

(二)物理层的主要任务

二、数据通信基础知识

(一)数据通信系统模型

(二)信号与码元

(三)信道与通信方式

三、传输媒体

(一)导向传输媒体

(二)非导向传输媒体

四、编码与调制

(一)编码

(二)调制

五、信道复用技术

(一)频分复用(FDM)

(二)时分复用(TDM)

(三)统计时分复用(STDM)

六、物理层的发展与挑战


一、物理层:网络世界的根基

        在计算机网络的庞大体系中,物理层就如同大楼的地基,虽常常被忽视,却是整个网络得以稳定运行的基础。它是网络体系结构的最底层,直接与物理传输介质打交道,负责在不同设备之间传输原始的比特流。没有物理层搭建起的 “硬件基础”,数据就无法在网络中实现真正的流动,更别提上层丰富多彩的网络应用了。接下来,让我们深入探索物理层的神秘世界。

一、物理层基础概念

(一)物理层的定义

        在计算机网络的世界里,为了实现不同设备之间有条不紊地通信,国际标准化组织 ISO 制定了开放系统互连参考模型(OSI 模型),它就像是网络世界的 “通用语言” 规范,把网络通信的复杂过程分成了 7 个清晰的层次 ,从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。物理层作为 OSI 模型的最底层,承担着最基础也最重要的任务 —— 在各种传输媒体上传输数据比特流,简单来说,就是负责将计算机中的数字信号(用 0 和 1 表示的数据)转化为适合在传输介质(如网线、光纤等)上传输的信号形式,比如电信号、光信号等,实现设备之间的物理连接。

        同时,物理层还为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异,不管你用的是超五类双绞线,还是六类、七类线,又或是单模光纤、多模光纤,数据链路层都无需关心这些细节,它只需要从物理层接收已经处理好的比特流,专注于完成本层的协议和服务即可,物理层就像一个默默付出的 “幕后英雄”,让上层能够更便捷地实现各种网络功能。

(二)物理层的主要任务

        物理层的主要任务可以概括为确定与传输媒体接口有关的四个特性,分别是机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。

  1. 机械特性:它规定了物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数目和排列情况等 。例如,我们常见的 RJ45 网络接口(也就是网线接口),它的形状是一个长方形,有 8 个引脚,并且这些引脚的排列顺序都有严格的标准,不同厂家生产的 RJ45 接口都要遵循这个标准,这样才能保证网线可以正确地插入各种网络设备(如电脑网卡、路由器接口等),实现物理连接,就好比不同品牌的插头都要符合插座的规格才能正常使用一样。

  2. 电气特性:主要规定传输二进制时,线路上的信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等 。以以太网为例,在 10Base - T 以太网标准中,规定使用双绞线传输信号,信号的电压范围通常是在 - 0.9V 到 + 0.9V 之间,阻抗为 100 欧姆,传输速率为 10Mbps,并且网线的最大有效传输距离一般为 100 米左右。如果电压范围、阻抗不匹配或者传输距离过长,都可能导致信号衰减、失真,影响数据的正确传输,就像电压不稳会影响电器正常工作一样。

  3. 功能特性:指明某条线路上出现的某一电平表示何种意义,以及接口部件的信号线的用途 。比如在 RS - 232 标准中,规定了逻辑 “1” 的电平范围是 - 3V 到 - 15V,逻辑 “0” 的电平范围是 + 3V 到 + 15V,同时明确了各个引脚的功能,像 2 号引脚是接收数据(RXD),3 号引脚是发送数据(TXD)等,通过这些规定,通信双方才能准确理解传输的信号含义,实现数据的正确交互。

  4. 规程特性:也称为过程特性,它定义了各条物理线路上的工作规程和时序关系 。在数据传输过程中,什么时候发送信号、什么时候接收信号、如何进行信号的同步等都有严格的顺序规定。例如,在串口通信中,发送方要先发送起始位,然后依次发送数据位,最后发送停止位,接收方按照这个顺序来接收和解析数据,如果时序出现错误,接收方就无法正确接收数据,就像一场接力比赛,接力棒的交接顺序和时间必须准确无误,比赛才能顺利进行。

二、数据通信基础知识

(一)数据通信系统模型

        数据通信系统主要由源系统、传输系统和目的系统三大部分组成,各部分紧密协作,共同完成数据的传输任务。

  1. 源系统:也叫发送端,包含源点和发送器。源点是产生数据的设备,比如我们日常使用的电脑、手机等,当你在电脑上编辑一篇文档、在手机上编写一条微信消息时,这些设备就作为源点产生了要传输的数据 。而发送器的作用是将源点生成的数字比特流进行编码,转换为适合在传输系统中传输的信号形式,常见的发送器如调制解调器,它可以把计算机输出的数字信号调制为模拟信号,以便在模拟通信线路(如电话线)上传输 。

  2. 传输系统:它是连接源系统和目的系统的桥梁,可以是简单的传输线,比如一根网线,也可以是复杂的网络系统,像互联网这样庞大的网络架构,包含了无数的路由器、交换机、光纤、电缆等设备,负责将发送器发送的信号从源系统传输到目的系统 。

  3. 目的系统:即接收端,由接收器和终点组成。接收器负责接收传输系统传送过来的信号,并将其转换为能够被目的设备处理的信息,比如解调器,它会把从传输线路上接收到的模拟信号解调为数字信号,提取出其中的原始数据 。终点则是最终接收数据的设备,比如另一台电脑、手机等,数据到达终点后,就可以在这些设备上进行展示、存储或进一步处理,比如你在电脑上收到朋友发来的微信消息,这条消息就被电脑这个终点设备接收并显示在屏幕上 。

        以我们日常上网浏览网页为例,当你在浏览器中输入一个网址并按下回车键时,你的电脑就是源系统,其中浏览器所在的计算机是源点,产生了访问网页的请求数据,计算机内部的网络适配器(网卡)充当发送器,将这些数字信号编码后通过网线(传输系统的一部分)发送出去。这些信号在互联网这个复杂的传输系统中经过无数的路由器、交换机等设备的转发,最终到达存放该网页的服务器所在的网络,服务器的网卡作为接收器接收信号并转换为数字数据,服务器本身就是终点,它会处理这些请求,并将网页数据按照相反的路径传输回你的电脑,你的电脑再将接收到的数据进行解析,最终在浏览器中展示出网页内容。

(二)信号与码元

        在数据通信中,信号是数据的具体表现形式,它可以分为模拟信号和数字信号。

        模拟信号是一种连续变化的信号,其幅度、频率、相位等参数可以在一定范围内连续取值,就像我们日常生活中的语音信号,人说话时声带的振动会产生连续变化的声波,通过麦克风转换为电信号后,这个电信号的幅度会随着声波的强弱连续变化,其频率也会随着声音的音调高低而变化 。模拟信号在传输过程中,容易受到噪声和干扰的影响,导致信号质量下降 。

        数字信号则是一种离散的信号,它只有有限个离散的状态,通常用二进制的 0 和 1 来表示,计算机处理的数据就是典型的数字信号 。数字信号抗干扰能力强,便于存储、处理和传输,因为它可以通过编码和纠错技术,在一定程度上恢复被干扰的信号 。

        码元是数字信号中代表不同离散数值的基本波形,在数字通信中,常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号就称为(二进制)码元,码元的持续时间称为码元长度 。比如在二进制数字信号中,我们用高电平表示 1,低电平表示 0,那么这个高电平或低电平就是一个码元,它在时间上是有一定长度的 。除了二进制码元,还有多进制码元,如四进制码元有 4 种不同的取值状态,可以表示 00、01、10、11 这四种组合,能携带更多的信息量 。

(三)信道与通信方式

  1. 信道概念:信道是信号传输的通道,从狭义上讲,它是指信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质,比如有线信道中的双绞线、同轴电缆、光纤,无线信道中的自由空间(用于传输无线电波)、水下的水声信道等 。从广义上讲,信道不仅包括传输媒质,还包括信号传输的相关设备,像调制解调器、放大器、中继器等 。信道可以分为模拟信道和数字信道,模拟信道用于传输模拟信号,比如传统的电话线路就是模拟信道,它传输的是模拟语音信号 ;数字信道用于传输数字信号,如光纤网络可以直接传输数字信号 。在生活中,我们家里的宽带网线就是一种信道,它将互联网服务提供商(ISP)的信号传输到我们的电脑

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