计算机网络 - 物理层

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  简述

  OSI 模型中的物理层起着与实际硬件和信令机制交互的作用。物理层是 OSI 网络模型中唯一真正处理两个不同站点的物理连接的层。该层定义了用于表示二进制信号等的硬件设备、电缆、布线、频率、脉冲等。

  物理层为数据链路层提供服务。数据链路层将帧移交给物理层。物理层将它们转换为代表二进制数据的电脉冲。然后通过有线或无线媒体发送二进制数据。
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  信号

  当数据通过物理介质发送时，首先需要将其转换为电磁信号。数据本身可以是模拟的，例如人的声音，也可以是数字的，例如磁盘上的文件。模拟和数字数据都可以用数字或模拟信号表示。

  • Digital Signals
    数字信号本质上是离散的，代表电压脉冲序列。数字信号用于计算机系统的电路中。
  • Analog Signals
    模拟信号本质上是连续的波形，以连续的电磁波为代表。
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  传输障碍

  当信号通过介质传播时，它们往往会恶化。这可能有很多原因：

  • Attenuation
    为了让接收器准确地解释数据，信号必须足够强。当信号通过介质时，它往往会变弱。随着距离的增加，它会失去强度。
  • Dispersion
    当信号通过媒体传播时，它往往会传播和重叠。色散量取决于使用的频率。
  • Delay distortion
    信号以预定义的速度和频率通过媒体发送。如果信号速度和频率不匹配，则信号有可能以任意方式到达目的地。在数字媒体中，一些比特比先前发送的比特更早到达是非常关键的。
  • Noise
    模拟或数字信号中的随机干扰或波动被称为信号中的噪声，它可能会扭曲所携带的实际信息。噪声可分为以下类别之一：
    • Thermal Noise
      热量会搅动介质的电子导体，这可能会在介质中引入噪声。在一定程度上，热噪声是不可避免的。
    • Intermodulation
      当多个频率共享一个介质时，它们的干扰会在介质中产生噪声。如果两个不同的频率共享一个介质并且其中一个频率具有过大的强度或组件本身不能正常工作，则会出现互调噪声，那么合成的频率可能无法按预期传递。
    • Crosstalk
      当外来信号进入媒体时，就会出现这种噪音。这是因为一种介质中的信号会影响第二种介质的信号。
    • Impulse
      这种噪声是由于不规则的干扰而引入的，例如闪电、电力、短路或故障组件。数字数据主要受这种噪声的影响。
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  传输媒体

  两个计算机系统之间传送信息的媒介，称为传输媒介。传输媒体有两种形式。

  • Guided Media
    所有通信电线/电缆都是引导介质，例如 UTP、同轴电缆和光纤。在这种媒体中，发送者和接收者直接相连，信息通过它发送（引导）。
  • Unguided Media
    无线或露天空间被称为非引导媒体，因为发送者和接收者之间没有连接。信息通过空中传播，包括实际接收者在内的任何人都可以收集信息。
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  通道容量

  信息的传输速度称为信道容量。我们将其视为数字世界中的数据速率。这取决于许多因素，例如：

  • Bandwidth:  底层媒体的物理限制。
  • Error-rate:  由于噪音而导致信息接收不正确。
  • Encoding:  用于信令的级别数。
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  多路复用

  多路复用是一种在单一介质上混合和发送多个数据流的技术。该技术需要称为多路复用器 (MUX) 的系统硬件，用于多路复用流并将它们发送到介质上，以及从介质获取信息并分发到不同目的地的解复用器 (DMUX)。
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  交换

  交换是一种机制，通过该机制，数据/信息从源发送到未直接连接的目的地。网络具有互连设备，这些设备从直接连接的源接收数据、存储数据、分析数据，然后转发到离目的地最近的下一个互连设备。

  切换可以分为：