《计算机网络技术》第二章讲义 物理层
计算机网络-物理层知识点整理
计算机网络-物理层知识点整理●2.1 物理层的基本概念●物理层考虑的是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●物理层的作用是尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异●用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)●物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性●机械特性●指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等●电气特性●指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围●功能特性●指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义●过程特性●指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序●2.2 数据通信的基础知识 #重点●2.2.1 数据通信系统的模型一个数据通信系统可以划分为三大部分：源系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端、接收方）●源系统●源点●源点设备产生的数据●又称信源或源站●发送器●将源点产生的数字比特流进行编码以便在传输系统中传输●传输系统●可以是简单的传输线、也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统●目的系统●接收器●接收传输系统传送过来的信号，转换为能被目的设备处理的信息●终点●终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流●又称信宿或目的站●2.2.2 有关信道的几个基本概念●数据、信号的不同种类●数据●数据是运送消息的实体●信号●信号是数据的电气或电磁的表现●模拟数据●模拟数据是由传感器采集到的运送消息的模拟信号的集合，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像●模拟信号●亦称连续信号，代表消息的参数的取值是连续的●基带信号●来自信号源的信号，即基本频带信号●带通信号●即经过载波调制后的基带信号。
载波调制是把基带信号的频率范围搬移到较高频段，并转换为模拟信号，以便在模拟信道中传输●数字数据●数字数据是模拟数据经量化后得到的数字信号的集合，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据●数字信号●亦称离散信号，代表消息的参数的取值是离散的●码元●在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就是码元●通信方式●按数据传输的方式分类●串行传输●数据在传输中只有1个数据位在设备之间进行的传输。
《计算机网络（第7版）谢希仁著》第二章物理层要点及习题总结
《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再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2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。
（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。
⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。
在使⽤时间域（或简称为时域）的波形表⽰数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。
（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。
（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即通信的双⽅都可以发送信息，但不能双⽅同时发送（当然也就不能同时接收）。
这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。
例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。
例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。
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。
物理层详解
物理层详解物理层是计算机网络领域中的一个重要概念，它是网络协议中的第一层，主要功能是将数据转换成物理信号进行传输。
本文将详细介绍物理层的定义、功能和组成部分。
一、物理层的定义：物理层是网络协议的第一层，主要负责透明地传输原始数据。
在物理层中，数据被转换成特定的电信号，在网络媒介上传输。
它定义了数据传输的物理规范，包括传输介质、数据编码、数据传输速率等。
二、物理层的功能：1.数据的编码和解码：物理层负责将数字数据转换为模拟信号进行传输，并将接收到的模拟信号转换为数字数据进行解码。
为此，物理层需要定义数据的编码方式，例如常见的8B/10B编码、曼彻斯特编码等。
2.数据的传输：物理层负责将编码过的数据按照预定的方式传输。
它需要定义传输介质的类型和特性，例如有线传输、无线传输和光纤传输等。
传输速率是物理层的另一个重要特性，它决定了数据传输的速度。
3.传输媒介的管理：物理层需要定义传输媒介的类型、长度、宽度等，以便正确地传输数据。
它还负责检测传输媒介上的错误和干扰，并进行纠正或重传。
三、物理层的组成部分：物理层包括以下组成部分：1.传输介质：物理层使用不同类型的传输介质，例如双绞线、同轴电缆、光纤等。
每种介质都有其特定的传输特性和使用限制。
2.传输速率：物理层定义了数据传输的速率，通常以bps（比特每秒）为单位，例如10M bps、100M bps和1G bps等。
3.信号编码：物理层使用不同类型的编码方式将数字数据转换为模拟信号进行传输。
编码方式取决于传输介质的特性和信号需求。
4.传输媒介的处理：物理层需要对传输介质进行预处理，例如放大、整形、调整等，以保证数据在传输过程中的稳定性和正确性。
综上所述，物理层是网络协议中最基本的层次之一。
它负责将原始数据转换为物理信号进行传输，为更高层次的网络协议提供底层的传输支持。
一个高效、可靠的物理层是实现网络快速、稳定传输的关键。
计算机网络答案(第五版) 谢希仁 第二章物理层
第二章物理层2-01 物理层要解决什么问题？物理层的主要特点是什么？（1）物理层要解决的主要问题：①.物理层要尽可能屏蔽掉物理设备、传输媒体和通信手段的不同，使上面的数据链路层感觉不到这些差异的存在，而专注于完成本曾的协议与服务。
②.给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力。
为此，物理层应解决物理连接的建立、维持和释放问题。
③.在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
（2）物理层的主要特点：①.由于在OSI 之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备锁采用。
加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI 的抽象模型制定一套心的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械、电气、功能和规程特性。
②.由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。
2-02 规程与协议有什么区别？答：在数据通信的早期，对通信所使用的各种规则都称为“规程”（procedure），后来具有体系结构的计算机网络开始使用“协议”（protocol）这一名词，以前的“规程”其实就是“协议”，但由于习惯，对以前制定好的规程有时仍常用旧的名称“规程”。
2-03 试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构件的作用。
答：一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统（或发送端）、传输系统（或传输网络）、和目的系统（或接收端）。
源系统一般包括以下两个部分：•源点：源点设备产生要传输的数据。
例如正文输入到PC 机，产生输出的数字比特流。
•发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
例如，调制解调器将PC 机输出的数字比特流转换成能够在用户的电话线上传输的模拟信号。
•接收器：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。
例如，调制解调器接收来自传输线路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。
物理层的基本概念
物理层的基本概念
物理层是计算机网络体系结构中的第一层，也是网络通信的最底层。
它负责通过物理媒介传输比特流，将数据从发送方传输到接收方。
以下是物理层的几个基本概念：
1. 媒体传输：物理层负责选择合适的物理媒介，如铜线、光纤或无线电波，来传输数据。
不同的物理媒介具有不同的传输速率和传输距离限制。
2. 数据编码：在物理层中，数据需要经过适当的编码方式转换为比特流。
常见的编码方式包括不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
3. 时钟同步：为了确保数据的正确传输，发送方和接收方的时钟需要保持同步。
物理层负责确保数据以正确的速率和时序传输。
4. 数据传输模式：物理层定义了数据的传输模式，可以是单工模式、半双工模式或全双工模式。
单工模式只允许数据在一个方向上传输，半双工模式允许数据在两个方向上交替传输，全双工模式允许数据在两个方向上同时传输。
5. 物理地址：物理层使用物理地址来唯一标识网络中的设备。
这些地址通常由网络适配器（网卡）提供，如MAC地址。
6. 基带与宽带传输：基带传输指的是将原始比特流直接传输到物理媒介上，适用于短距离数字通信。
宽带传输则指的是将数
据进行调制，转换为模拟信号再进行传输，适用于长距离传输和高速信号传输。
物理层的主要任务是确保数据在发送方和接收方之间可靠、高效地传输。
它提供了一些基本的传输机制和规范，为更高层的网络协议提供可靠的通信基础。
CH02物理层_4
第3次课知识点
2.7 传输媒体可分为两大类：导引型传输媒体和 非导引型传输媒体
2.8 导引型传输媒体可分为：双绞线、同轴电缆、 光纤
2.9 导引型传输媒体的特点 习题：2-10、11、12
随堂测试2
单选题 问答题
单选题
1. 通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送 的通信方式称为（ ）。
C2
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过 程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注 意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
频率 频带 n
第 2 章 物理层
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数数据据链链路路层层 1 物理层
应用层 (application layer) 运输层 (transport layer) 网络层 (network layer) 数据链路层 (data link layer) 物理层 (physical layer)
用户 Aa
时分复用 当某用户暂时无数据发送时，
a t①
在时分复用帧中分配给该用户 的时隙只能处于空闲状态。
Bb b
t②
C
cc
t③
④
D
dt
ab #1
bc
ca d
t #2 #3 #4
4 个时分复用帧
时分复用可能会造成线路资源的浪费
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
用户 Aa
统计
STDM 帧不是固定分配时
盛立军《计算机网络技术基础》课件第二章
网络安全威胁
网络攻击行为日趋复杂、隐蔽性更强，网络钓鱼、勒索软件等新型攻击手段不断涌现，给 企业和个人带来重大损失。
协议封装与解封装过程
协议封装
在发送数据时，数据首先被封装在协 议数据单元（PDU）中，然后逐层向 下传递。每经过一个层次，就会加上 该层的协议头部或尾部信息。
协议解封装
在接收数据时，数据从下层向上层逐 层传递，每经过一个层次，就会去掉 该层的协议头部或尾部信息，还原出 原始数据。
技术
防火墙定义
是一种隔离技术，一种在内部网络与外部网络之间实施安全防范 的系统。
防火墙功能
它可以根据预先设定的规则，允许或是限制传输的数据通过。
防火墙分类
根据实现技术不同，防火墙可以分为包过滤型、代理型和有状态检 测型等。
数据加密技术
数据加密定义
是一种限制对网络上传输数据的访问权的技术 。
第三阶段
国际互联网与移动互联网 ，全球范围内的计算机网 络互联互通，形成国际互 联网和移动互联网。
计算机网络分类
根据规模
局域网、城域网、广域网和互联网。
根据拓扑结构
星型、总线型、环型和网状型。
根据传输介质
有线网和无线网。
02
网络体系结构与协议
OSI参考模型
01
概述
OSI参考模型是一个开放的分层 体系结构，用于描述网络协议的 层次结构。
数据加密方法
主要有对称加密和非对称加密两种方法。
数据加密标准
第二章计算机网络物理层(1).
（答案仅供参考如有不对请自己加以思考）第二章计算机网络物理层一、习题1.电路交换的优点有（）。
I 传输时延小 II 分组按序到达III 无需建立连接 IV 线路利用率高A I IIIB II IIIC I IIID II IV2 下列说法正确的是（）。
A 将模拟信号转换成数字数据称为调制。
B 将数字数据转换成模拟信号称为调解。
C 模拟数据不可以转换成数字信号。
D 以上说法均不正确。
3 脉冲编码调制（PCM）的过程是（）。
A 采样，量化，编码B 采样，编码，量化C 量化，采样，编码D 编码，量化，采样4 调制解调技术主要使用在（）通信方式中。
A 模拟信道传输数字数据B 模拟信道传输模拟数据C 数字信道传输数字数据D 数字信道传输模拟数据5 在互联网设备中，工作在物理层的互联设备是（）。
I 集线器 II 交换机 III 路由器 IV 中继器A I IIB II IVC I IVD III IV6一个传输数字信号的模拟信道的信号功率是0.26W，噪声功率是0.02W，频率范围为3.5 ～3.9MHz，该信道的最高数据传输速率是（）。
A 1Mbit/sB 2Mbit/sC 4Mbit/sD 8Mbit/s7 在采用1200bit/s同步传输时，若每帧含56bit同步信息，48bit控制位和4096bit数据位，那么传输1024b需要（）秒。
A 1B 4C 7D 148 为了是模拟信号传输的更远，可以采用的设备室（）。
A中继器 B放大器 C 交换机 D 路由器9 双绞线由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，线对扭在一起的目的是（）。
A 减少电磁辐射干扰B 提高传输速率C 减少信号衰减 D减低成本10 英特网上的数据交换方式是（）。
A 电路交换B 报文交换C 分组交换 D异步传输11 （）被用于计算机内部的数据传输。
A 串行传输B 并行传输 C同步传输 D 异步传输12 某信道的信号传输速率为2000Baud，若想令其数据传输速率达到8kbit/s,则一个信号码元所取的有效离散值个数应为（）。
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2.3.1 导向传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同轴电缆
50 同轴电缆 75 同轴电缆
光缆
各种电缆
无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
频率 频率 5 频率 4 频率 3
频率 2
频率 1 时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复 用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一 个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周 期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的 频带宽度。
2.2.2 有关信号的几个基本概念
单向通信（单工通信）——只能有一个方 向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）——通信的 双方都可以发送信息，但不能双方同时发 送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）——通信的 双方可以同时发送和接收信息。
基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号
光纤的工作原理
低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
多模光纤与单模光纤
多模光纤
输入脉冲
适合于近距离传输
输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
当纤芯很细，只有一个光的波长，如几个微米，则光纤就 像一根波导一样，光线可以一直向前传播。衰减小，在 2.5Gbps高速率时，可传数十公里而不采用中继器。
用户 时分复用 A B C a
a
b c c d
t
①
b
t ② ab t ③ ④ #1 bc #2 c #3 a #4 d t
D
t
4 个时分复用帧
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
用户
统计时分复用
A B C a b b c c d a t ①
t ② a b b c c d a t t ③ t
光解调器
1550 nm 1551 nm 1552 nm 分 1553 nm 用 1554 nm 器 1555 nm 1556 nm 1557 nm 0 1 2 3 4 5 6 7
20 Gb/s
EDFA
120 km
2.4.3 码分复用 CDM
(Code Division Multiplexing)
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字比特流
模拟信号 公用电话网
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC 机
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
调制解调器 目的系统
PC 机
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
信道 信道 A2 B2 C2 A1 B1 C1 A2 共享信道
A1 B1 C1
复用
分用
B2 C2
信道
(a) 不使用复用技术
(b) 使用复用技术
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用 这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请 注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
(2) 信噪比
香农(Shannon)用信息论的理论推导出 了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道 的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
2.3 物理层下面的传输媒体 电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105
双绞线
106
107
同轴电缆
108
109
1010
卫星
1011 1012
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
(1) 信道能够通过的频率范围
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名 的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的， 否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码 元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送 码元而不出现码间串扰。
现在采用每3个比特一组，则一共是6组。
每一组共有8种不同的排列，则可以用不同的表示方法 来表示这样的信号，例如采用相位调制，用φ0表示 000，φ1表示001，φ2表示010，φ3表示011，φ4 表示100， φ5表示101， φ6表示110， φ7表示111。 这样，原来18个码元的信号就转换成了由6个码元组成 的信号： φ5φ3φ0φ6φ7φ2
终点 输 出 信 息
几个术语
数据(data)——运送消息的实体。
信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连 续的。 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形 表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
香农公式表明
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。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的 传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然 实际信道不可能是这样的），则信道的极限信 息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。
对基带数字信号的几种调制方法
基带信号 调幅 0 1 0 0 1 1 1 0 0
调频
plitude Modulation)
举例
(r, ) r
可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。
计算机网络（第 5 版）
第 2 章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念► 2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型►
2.2.2 有关信道的几个基本概念►
2.2.3 信道的极限容量►
2.3 物理层下面的传输媒体►
2.3.1 导向传输媒体► 2.3.2 非导向传输媒体►
第 2 章 物理层（续）
基带信号（即基本频带信号）——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。 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分， 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此 必须对基带信号进行调制(modulation)。 带通信号——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）。
2.4 信道复用技术
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用► 2.4.2 波分复用►
2.4.3 码分复用►
2.5 数字传输系统► 2.6 宽带接入技术 2.6.1 xDSL技术► 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网）► 2.6.3 FTTx 技术►
2.1 物理层的基本概念
物理层的基本概念 物理层的主要任务是确定与传输媒体的 接口的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状 和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定 装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上 出现的电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电 平的电压表示何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可 能事件的出现顺序。
绝缘层
铜线
聚氯乙烯 屏蔽层 铜线 绝缘层 套层
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层
绝缘层
内导体
光线在光纤中的折射
光纤——非常透明的石英玻璃拉成细丝 折射角 包层 包层 纤 （低折射率的媒体） 芯 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角 包层 （低折射率的媒体） 光从高折射率的戒指射向低折射率的介质，折射角大于入射 角；当入射角大于一定值时，就出现了全反射。
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变