计算机网络(第2版)第3章物理层

计算机网络(第2版)第3章物理层目录物理层概述物理层接口与特性数据传输方式与技术差错控制方法与技术物理层设备与技术应用总结与展望01物理层概述物理层定义：物理层是计算机网络体系结构中的最低层，它负责在传输介质上提供可靠的、透明的比特流传输服务。物理层的主要任务是确定与传输介质的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。物理层定义与功能物理层功能为数据端设备提供传送数据的通路。传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。完成物理层的一些管理工作。01020304物理层定义与功能物理层与数据链路层的区别物理层提供比特流的传输服务，而数据链路层则在物理层提供的服务基础上，向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。物理层与数据链路层的联系物理层和数据链路层是相互依赖的，物理层为数据链路层提供了传输比特流的服务，而数据链路层则通过物理层提供的服务来实现相邻节点间的可靠数据传输。物理层与数据链路层关系双绞线双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度。同轴电缆同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成。内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开，整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。光纤光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。物理层传输介质02物理层接口与特性

接口类型及特点RS-232C接口采用不平衡传输方式，即单端通信，具有较远的传输距离和较低的通信速率。RS-422A接口采用平衡传输方式，即差分通信，具有较远的传输距离和较高的通信速率。RS-485接口采用平衡传输方式，支持多点通信，具有较远的传输距离和较高的通信速率。规定接口的电压、电流、阻抗等电气参数，确保信号的可靠传输。电气特性规定接口的物理尺寸、形状、引脚数目和排列方式等，确保不同设备间的物理连接。机械特性电气特性与机械特性规定接口的数据传输格式、传输速率、同步方式等，确保数据的正确传输。规定接口的时序关系，包括信号的时序、时序的配合和时序的容差等，确保数据的可靠传输。规程特性与时序特性时序特性规程特性03数据传输方式与技术在信道中直接传送基带信号，即未经调制的原始数字信号。常用于近距离的数字通信，如计算机内部或计算机与外设之间的数据传输。基带传输利用模拟信道实现数字信号的传输。发送端将数字信号调制到模拟信道的某个频率范围内进行传输，接收端再将信号解调还原为原始数字信号。频带传输基带传输与频带传串行传输数据以比特流的形式在一条信道上按位进行传送。远距离通信时，常采用串行传输方式，因为只需一对传输线，成本低且易于实现。并行传输数据以字节或字为单位在多条并行信道上同时传送。近距离通信时，如计算机内部总线，常采用并行传输方式以提高数据传输速率。串行传输与并行传以数据块为单位进行数据传输，发送端和接收端需要保持严格的时钟同步。常用于高速数据传输，如局域网中的数据传输。同步传输以字符为单位进行数据传输，每个字符前都附加一位起始位，字符后附加一位或多位停止位，用于实现发送端和接收端的同步。常用于低速数据传输，如终端与主机之间的通信。异步传输同步传输与异步传04差错控制方法与技术网络拥塞设备故障网络设备如路由器、交换机等出现故障，可能导致数据传输错误。数据丢失或损坏传输过程中的差错可能导致数据丢失或损坏，使得接收方无法正确解析数据。传输效率降低差错控制机制需要对数据进行重传或修复，从而增加了网络传输的延迟和开销，降低了传输效率。信号在传输过程中可能受到电磁干扰、衰减等因素的影响，导致信号失真或变形。传输介质影响人为因素误操作、恶意攻击等行为可能导致数据传输错误或中断。大量重传数据可能导致网络拥塞，进一步恶化网络性能。差错产生原因及影响通过特定的编码方式在数据中增加冗余信息，使得接收方能够检测出数据在传输过程中是否出现差错。差错检测在检测出差错后，采用一定的算法对差错进行定位和纠正，使得接收方能够恢复出原始数据。差错纠正当接收方发现无法纠正的差错时，通知发送方进行重传，以确保数据的正确传输。重传机制差错控制基本思想和方法奇偶校验码通过在数据中增加一个校验位，使得数据中1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），用于检测单个比特的错误。循环冗余检验码（CRC）通过特定的多项式对数据进行编码，生成校验码附加在数据后面，用于检测多位错误。CRC具有较高的检错能力和较低的误报率，在计算机网络中广泛应用。常见差错控制编码方式05物理层设备与技术应用中继器原理01中继器是一种简单的网络互联设备，主要完成信号的复制、调整和放大，以延长网络的长度。它工作在OSI模型中的物理层，对于高层协议是透明的。集线器原理02集线器是一种多端口的中继器，它以星型拓扑结构将多个网络设备连接在一起，主要提供信号放大和中转的功能，扩展局域网的传输距离。应用场景03中继器和集线器常用于局域网内部，实现信号的放大和传输距离的延长，提高网络的可用性和覆盖范围。中继器与集线器原理及应用网卡是计算机与网络相连的接口电路，它负责将计算机内部的数字信号转换为适合网络传输的模拟信号，以及将来自网络的模拟信号还原为数字信号。网卡功能根据总线接口类型不同，网卡可分为ISA、PCI、PCMCIA等类型；根据传输速率不同，可分为10M、100M、1000M等类型。网卡类型在选择网卡时，需要考虑计算机的总线接口类型、网络的传输速率、工作环境等因素，选择适合的网卡类型和品牌。选择建议网卡功能与类型选择VS双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，成本低廉但传输距离较短；同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和护套组成，传输距离较长但成本较高；光纤由纤芯、包层和护套组成，传输距离远、速率高但成本也较高。选用建议在选择传输介质时，需要考虑网络的传输速率、传输距离、成本预算等因素。对于短距离、低速率的网络，可以选择双绞线作为传输介质；对于长距离、高速率的网络，可以选择光纤作为传输介质；同轴电缆则在一些特定的应用场景中使用较多。传输介质比较双绞线、同轴电缆、光纤等传输介质比较及选用建议06总结与展望物理层基本概念物理层是计算机网络体系结构中的最底层，负责传输比特流。它提供了为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性。数据通信基础知识数据通信是计算机网络的基础，涉及信号、信道、数据传输等基本概念。本章介绍了模拟信号与数字信号、基带信号与宽带信号等基础知识，以及数据传输的速率、方式和多路复用技术。传输介质传输介质是计算机网络中连接各个设备的物理通路。本章介绍了双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质等不同类型的传输介质及其特性。物理层设备物理层设备是实现物理层功能的硬件设备。本章介绍了中继器、集线器等物理层设备的工作原理和应用场景。01020304本章内容回顾与总结物理层发展趋势及挑战高速传输技术：随着网络应用的不断发展，对数据传输速率的要求也越来越高。未来物理层将不断追求更高的传输速率，例如采用更高速的光纤传输技术、发展更高效的调制解调技术等。无线通信技术：无线通信技术的不断发展和普及，使得人们可以随时随地接入网络。未来物理层将更加注重无线通信技术的研究和应用，例如5G/6G移动通信技术、无线局域网技术等。绿色节能技术：随着环保意识的不断提高，绿色节能技术将成为未来物理层发展的重要方向。例如，研究低功耗的物理层芯片、优化设备的能源管理策略等。网络安全问题：随着网络的普及和应用的深入，网络安全问题也日益突出。物理层作为网络的基础层，其安全性对整个网络的安全至关重要。未来需要加强对物理层安全问题的研究和防范，例如防范针对物理层设备的攻击、加强物理层加密技术等。融合与创新随着技术的不断进步和应用需求的不断变化，计算机网络技术将不断融合和创新。例如，未来可以将人工智能、大数据等技术应用于计算机网络中，提高网络的智能化和自动化水平。开放与共享开放与共享是未来计算机网络技术发展的重要趋势。通过开放网络标准和接口，促进不同厂商和开发者之间的合作与交流，推动网络技术的共同进步和发展