ISO七层模型-深入了解物理层

ISO物理层

掌握七个内容-目录

1. 物理层的接口的特性
2. 数据速率
3. 调制与编码
4. 数据传输方式
5. 数据交换方式
6. 多路复用
7. 数字传输标准

物理层位于OSI/RM参考模型的最底层，为数据链路层实体提供建立、传输、释放所必须的的物理连接，并提供透明的比特流传输，提供的单位是比特。

数据通信的基本概念

1．通信的目的就是传递信息。 一次通信中产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。通信线路称为信道，所以信源和信宿 之间的信息交换是通过信道进行的。
2．模拟信号是随时间连续变化的信号。数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的。
3．如果信源产生的是模拟数据并且以模拟信道传输则叫做模拟通信；如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输，那么这种 通信方式叫做数字通信。
4．如果信源发出的是数字数据，当然也可有两种传输方式。这时无论是用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫做数据通信。
5．在模拟传输方式中，数据进入信道之前要经过调制，变换为模拟的调制信号。由于调制信号的频谱较窄，因此信道的利用率较高。在数 字传输方式中，可以直接传输二进制数据或经过二进制编码的数据，也可传输数字化了的模拟信号。

1、物理层的接口的特性：

物理层通过各类协议定义了网络几个特性：
(1) 机械特性：规定接的外形、大小、引脚数和排列、固定位置。
(2) 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
(3) 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
(4) 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2、 数据速率

数据通信系统的有效程度可以用码元传输速率和信息传输速率来表示。

码元
在数字通信中，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称为二进制码元。另一种定义是，在使用时间域（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称为码元。
（注释：不懂得可以简单的理解为2的几次方就行了）

码元速率（波特率）
即单位时间内载波参数（相位、振幅、频率等）变化的次数，单位为波特，常用符号Baud表示，简写成B，

比特率（信息传输速率、信息速率）
指单位时间内在通道上传递的数据量（即比特数），单位为比特每秒（bit/s），简记为b/s或者是bps

比特率与波特率关系：
波特率与波特率有几个换算关系：
比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数=波特率Xlog2（N）
其中，N是码元总类数。
（例如假设数据传送速率为120符号/秒(symbol/s)(也就是波特率为120Baud)，又假设每一个符号为8位(bit)即八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)，则其传送的比特率为(120symbol/s) * (3bit/symbol)=360bps）

带宽：传输过程中信号不会明显减弱的一段频率范围，单位是（Hz）。对于模拟信道而言，信道带宽公式如下：
信道带宽W=最高频率-最低频率
信噪比与分贝：信号功率与噪声功耗的比值称为信噪比，通常将信号功率记为S，噪声功耗几位N，则信噪比为S/N。分贝简称为dB
1dB=10XlgS/N
无噪声时的数据率计算：在无噪声情况下，应依据尼奎斯特定理在计算最大数据率。尼奎斯特定理为：
最大数据速率=2W log2 N =Blog2N（注释：这是最理想的速率）
其中，W表示带宽，B代表波特率，N是码元总的总类数。
有噪声时的数据速率计算：在无噪声情况下，应依据香浓定理公式来计算极限数据率。香浓公式为：
极限数据率=带宽 x log2（1+S/N）

其中，S为信号功率，N为噪声功率。
误码率：指接收到的错误码元数在总传送码元数中所占的比例
Pc=错误码元数/码元总数

计算汇总：

3、调制与编码

一、数字编码
1．单极性码：这种编码方案，只用正的（或负的）电压表示数据。单极性的抗噪声特性不好。
2．极性码：分别用正和负电压表示二进制0和1 。这种代码的电平差比单极码大，而抗干扰特性好。
3．双极性码：信号在三个电平（正、负、零）之间变化。
4．归零码：在归零码RZ（Return to Zero）中，码元中间的信号回归到0电平。
5．不归零码：NRZ（Non-Return to Zero）的规律是当1出现时电平翻转，当0出现时电平不翻转。这种编码的特点是实现起来简单而且费 用低，但不是自定时的。
6．曼彻斯特码：曼彻斯特（Manchester）码是一种双相码。用高电平到低电平的转换边表示0，而用低电平到高高电平的转换边表示1，利用率50%。（ 重点）
7．差分曼彻斯特码：这种编码也是一种双相码，和曼彻斯特编码不同的是，这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示 数据。数据表示在每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示0，无电平转换表示1。（重点）

8．4B/5B，8B/10B，8B/6T编码：由于曼切斯特编码的效率不高，只有50%，因此在高速网中，这种编码方式显然就不适用。在高速的姜堰我中采用m位比特编码成n位比特编码方式，即mB/nB。

二、 数字信号调制为模拟信号
1．调制模拟载波信号的三个参数——幅度、频率、和相位来传送数字数据。
2．三种基本调制方式：
（1） 幅度键控（ASK）：载波幅度随着基带信号的变化而变化，方式还可称作通一断键控或开关键控。实现起来简单，但抗干扰性能差。

（2） 频移键控（FSK）：载波频率随着基带信号的变化而变化，。抗干扰性能好，但占用带宽较大。

（3） 相移键控（PSK）：随着基带信号的变化而变化。PSK最简单的形式是BPSK，载波相位有2种，分别表示逻辑0和1.抗干扰性能最好，而且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟。

常见调制技术汇总：
3．码元只取二个相位值叫2相调制，码元可取4个相位叫4相调制。4相调制时，一个码元代表两位二进制数。

脉冲编码调制

1．把模拟数据转化成数字信号，要使用一种叫编码解码器（Codec）的设备。这种设备的作用和调制解调器的作用相反：调制解调器的作 用是把数字数据变成模拟信号，经传输到达接收端再还原为数字数据。
2．用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是所谓的脉冲编码解码调制技术PCM（Pulse Code Modulation），简称脉码调制。
3．PCM的原理：
（1）取样：如果取样速率大于模拟信号最高频率的二倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。
（2）量化：利用抽样值将其幅度离散，用先规定的一组电平值用最接近的电平值来代替。规定的电平值通常二进制表示。
（例如：语音系统采用128级（7位）量化，采用8kHz的采样频率，那么有效数据速率为56kb/s，有由于在传输时，每7bit需要添加1bit的信令位，因此语音信道数据率位为64kb/s）
（3）编码： 由脉码调制的原理看出，取样的速率是由模拟信号的最高频率决定的，而量化级的多少则决定了取样的精度。然而实际上量化是在编码过程中又由于在传输过程中完成的，故编码过程也称为摸/数转换，记作A/D

4、数据传输方式

（1）串行和并行通信
按照数据通信使用的信道数，可分为：
串行通信：将一个字符的二进制代码从低位到高位依次传输，需要建立一个信道
并行通信：将一个字符的二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送，每次发送一个字符，需要建立8个信道，但造价较高，远程通信一般使用串行通信
（2）单工，半双工和全双工通信
按照信号传送方向和时间的关系，可分为：
单工通信：只能一个方向传输，例如寻呼机
半双工通信：双向传送，但一个时间只能一个方向发送信息，例如对讲机
全双工通信：可以同时发送信息，并且双向传送，例如手机

（3）按照数据的同步方分类
同步通信：通信双方必须先建立同步，即双方时钟要调整到同一频率。
同步方式可以分为两种：

1. 全网同步：用一个非常精确的主时钟对全网所有节点上的时钟进行同步
2. 准同步：各个节点的实在之间允许微小的误差，然后采用其他措施实现同步通信。
   同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息

异步通信：发送端（你）和接收端（我）可以各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。
异步通信数据率=每秒传输字符数X（起始位+终值位+校验校正+数据位）

5、数据交换方式

1、电路交换：通信开始之前，主呼叫和被呼叫之间建立起连接，之间建立通信，期间独占整个链路，结束时释放连接。（电路交换是面向连接）
优点：时延小
缺点：链路空闲率高，不能进行差错控制

2、报文交换：节点把要发送的信息组成一个报文（数据包），该该报文中含有该目标节点的地址，完整的报文在网络中一战一战地向前传送。每个节点接收整个报文并检查目标节点地址，然后根据网络中的拥塞情况，在适当的时候转发下一个节点
优点：不用建立专用通道，可以校验纠错，线路利用率高，也可以将一个报文发送至多个目的地
缺点：中间节点需要先存储，再转发报文，时间时延较大，中间节点的存储空间也需要较大
（注释：节点勘察交换机，交换机有个功能是存储转发）

3、分组交换：
优点：利用率更高、可选路劲、数据率转换、支持优先级
缺点：时延、开销大。
类似于邮局寄信。分为数据报和虚电路。

（1）数据报：数据报服务类数于邮政系统投递。每个分组都携带完整的源和目的的节点信息，独立地进行传输，每当经过一个中间节点时，都要根据目标地址和网络当前的状态，按一定的路由选择算法选择一条最佳的输出线，直至传输到目的节点。
优点：不需要建立连接
缺点：每个分组独立选路，不完全走一条路，可靠性差

（2）虚电路：为了进行数据出传输，网络的源主机和目的主机之间要建立一条逻辑通道，所有报文都沿着逻辑通道传输数据。在传输完毕后，还需要释放连接。虚电路的服务方式物理层响传输层提供一种使所有分组按顺序到达目的主机的可靠的数据传输方式。典型应用又X.25，帧中继，ATM。
优点：相对数据报可以进行流控和差错控制，提高了可靠性，适合远程控制和文件传送
缺点：不如数据报方式灵活

4、信元交换：又叫做ATM（异步传输模式），是一种面向连接的快速分组交换技术，他说通过建立虚电路来进行数传输的。信元交换技术是结合了电路交换技术延迟小河分组交换技术灵活的优点，信元是固定长度的分组，ATM采用信元交换技术，其信元长度位53字节，信元头为5字节，数据为48字节。
特点：结合了电路交换技术延迟小河分组交换技术灵活的优点

6、多路复用技术

前面提到的，只是停留在发送主机通过信道发送信号到接受主机，但是实际上不存在这种两台主机直接通过1个信道传输信号的情况，原因有如下两点：

1. 信道的架设费用非常高
2. 带宽会被浪费，例如一条线路的带宽为10Mps，而两台计算机通信需要的带宽为100Kps，如果这两个计算机独占了10Mps的信道，然而却只使用100Kps的带宽，这样会导致带宽浪费

于是，多路复用技术就出现了
多路复用技术：发送端将多个用户的数据通过多路复用器汇集到一条通信线路（这条通信线路的带宽应该尽可能高），发送到接收端，接收端通过分用器把数据分离成各路数据，分发给接收端的多个用户

多路复用技术可以分为四类：

1. 时分多路复用（TDM）：不同时间，轮流占用，如手枪，手机。分为T1、E1。统计时分，如ATM
   
2. 频分多路复用（FDM）：不同的频率，子信道隔离频带防串扰 ，如CATV，WIFI
   
3. 波分多路复用（WDM）：不同波长，如光纤
   
4. 码分多路复用：码分复用人们更常用的名词是码分多址CDMA
   码片（chip）：是各站独有的（站站之间的码片互相正交），发送的码元却是不断变化的；
   在 CDMA 中，每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）。通常 m 的值为 64 或 128

7、数字传输标准（不详细介绍）

T1标准：1.544Mbps、125us=8000次
1.544Mbps[25x（7+1）+1]x8000
T2、T3、T4（这些标准主要出现美国和日本那边，中国使用E1标准）

E1标准：2.048Mbps、125us=8000次
2.028Mbps[32x(7+1)]x8000
CHO和CH16控制信令，30个语音数据。E2、E3、E4（中国和欧洲）

OSNET标准（美国）和SDH标准（国际）：用于光纤网络

双绞线：分为非屏蔽双绞线UTP，屏蔽双绞线STP。100M可以达到1000Mb/s



光纤（光缆）：分为单模光纤SMF（左图）、多模光纤MMF（右图）

最后还有个接入技术也是一部分，都是纯理论的，需要多去实践，这个层次我主要是做个笔记和自己的理解，提供给大家参考，哪里有问题或者有些不足之处，请留言。
如有侵权，请告知，作者会自己的心得体会删了，谢谢

最后

以上就是迷路乌冬面为你收集整理的ISO七层模型-深入了解物理层的全部内容，希望文章能够帮你解决ISO七层模型-深入了解物理层所遇到的程序开发问题。

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