《物理層技術(shù)》課件

物理層技術(shù)物理層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中最底層。它處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的物理連接，并定義了數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)上的傳輸方式。課程大綱11.緒論介紹物理層的概念、作用和發(fā)展歷史。22.信號(hào)編碼與傳輸探討數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的編碼方式以及傳輸方式。33.信道多路復(fù)用技術(shù)講解時(shí)分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用技術(shù)。44.通信信號(hào)的傳播分析自由空間傳播、有線傳輸和無(wú)線傳播的特點(diǎn)。55.物理層設(shè)備介紹網(wǎng)卡、集線器、網(wǎng)橋、交換機(jī)等物理層設(shè)備。66.物理層的標(biāo)準(zhǔn)化講解IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)、WLAN標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。77.物理層安全技術(shù)分析物理層攻擊和防御方法，探討加密與認(rèn)證技術(shù)。88.發(fā)展趨勢(shì)與展望展望物理層技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。緒論本課程介紹物理層技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)物理層技術(shù)，理解網(wǎng)絡(luò)通信的底層機(jī)制。1.1物理層的概念和作用數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄何锢韺邮蔷W(wǎng)絡(luò)中最基礎(chǔ)的層級(jí)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以電信號(hào)、光信號(hào)或其他物理方式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)介質(zhì)中。定義數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)物理層定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硪?guī)范，例如信號(hào)電壓、傳輸速率、數(shù)據(jù)格式等。管理網(wǎng)絡(luò)硬件接口物理層負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理接口，例如網(wǎng)卡、集線器、交換機(jī)等。1.2物理層技術(shù)的發(fā)展歷程早期階段主要以模擬信號(hào)傳輸為主，例如電話線、電報(bào)線等。數(shù)字信號(hào)時(shí)代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)開(kāi)始興起，例如數(shù)字電話、數(shù)字電視等。網(wǎng)絡(luò)時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)推動(dòng)了物理層技術(shù)的發(fā)展，例如以太網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)等技術(shù)?，F(xiàn)代階段光纖通信、5G技術(shù)等新一代物理層技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接提供了技術(shù)基礎(chǔ)。2.信號(hào)編碼與傳輸信號(hào)編碼與傳輸是物理層的重要環(huán)節(jié)，是將信息轉(zhuǎn)化為可在物理介質(zhì)上傳輸?shù)男问健２煌愋偷男盘?hào)需要不同的編碼方式。2.1數(shù)字信號(hào)的編碼方式非歸零碼非歸零碼(NRZ)是一種簡(jiǎn)單的編碼方式，它用電平的高低來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的0和1。例如，高電平表示1，低電平表示0。NRZ編碼簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但存在著信號(hào)同步問(wèn)題，因?yàn)殚L(zhǎng)串的0或1無(wú)法提供時(shí)鐘信號(hào)。2.2模擬信號(hào)的編碼方式脈沖幅度調(diào)制(PAM)將模擬信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換為不同幅度的脈沖，脈沖寬度固定。脈沖寬度調(diào)制(PWM)將模擬信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換為不同寬度的脈沖，脈沖幅度固定。脈沖位置調(diào)制(PPM)將模擬信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換為不同位置的脈沖，脈沖寬度和幅度固定。2.3數(shù)字信號(hào)的傳輸方式有線傳輸通過(guò)電纜或光纖等物理介質(zhì)傳輸數(shù)字信號(hào)。例如，以太網(wǎng)電纜、同軸電纜、光纖。無(wú)線傳輸通過(guò)電磁波在空中傳播數(shù)字信號(hào)。例如，無(wú)線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍(lán)牙、蜂窩網(wǎng)絡(luò)。信道多路復(fù)用技術(shù)信道多路復(fù)用技術(shù)是一種在一條物理信道上傳輸多路信號(hào)的技術(shù)，提高信道利用率，降低通信成本。信道多路復(fù)用技術(shù)利用不同的信號(hào)參數(shù)區(qū)分不同的信號(hào)，例如時(shí)間、頻率、碼片等。3.1時(shí)分多路復(fù)用時(shí)間片輪詢將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分配給不同的用戶，用戶只能在自己的時(shí)間片內(nèi)使用信道。共享資源多路復(fù)用技術(shù)可以有效地利用帶寬資源，節(jié)省通信成本。同步需求時(shí)分多路復(fù)用需要精確的同步，以保證各個(gè)用戶的時(shí)間片分配。3.2頻分多路復(fù)用11.頻帶劃分將整個(gè)信道帶寬劃分成多個(gè)子信道。22.分配頻率每個(gè)子信道分配給不同的用戶。33.獨(dú)立傳輸用戶可以在各自的子信道上獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。44.同步傳輸多個(gè)用戶可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，提高信道利用率。3.3碼分多路復(fù)用原理CDMA使用唯一的代碼區(qū)分不同的用戶。每個(gè)用戶使用不同的代碼，即使同時(shí)發(fā)送信號(hào)，也可以在接收端通過(guò)代碼識(shí)別出相應(yīng)的用戶信號(hào)。特點(diǎn)CDMA具有高帶寬利用率，抗干擾能力強(qiáng)，安全性高的特點(diǎn)。它可以有效提高通信系統(tǒng)的容量和效率，在移動(dòng)通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通信信號(hào)的傳播通信信號(hào)在介質(zhì)中的傳播方式?jīng)Q定著傳輸距離、速度和質(zhì)量。信號(hào)傳播方式主要分為自由空間傳播、有線傳輸和無(wú)線傳播。4.1自由空間傳播電磁波傳播電磁波以光速在自由空間中傳播，不受任何導(dǎo)線限制，可覆蓋廣闊區(qū)域。衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信利用衛(wèi)星作為中繼站，實(shí)現(xiàn)跨越地形的長(zhǎng)距離通信。無(wú)線電廣播廣播電臺(tái)通過(guò)發(fā)射天線將無(wú)線電波發(fā)送到空中，被收音機(jī)接收。4.2有線傳輸電纜類型有線傳輸使用各種類型的電纜，如雙絞線、同軸電纜和光纖，傳輸數(shù)據(jù)。傳輸距離有線傳輸?shù)木嚯x通常受到電纜長(zhǎng)度和信號(hào)衰減的限制。傳輸速率有線傳輸速率較高，尤其是在光纖傳輸中，可以達(dá)到非常高的帶寬。成本有線傳輸通常比無(wú)線傳輸成本更低，因?yàn)殡娎|相對(duì)便宜。4.3無(wú)線傳播衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信利用地球同步衛(wèi)星作為中繼站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)利用無(wú)線電波在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)通信移動(dòng)通信利用地面基站和移動(dòng)終端進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。微波通信微波通信利用微波作為載波，進(jìn)行高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。物理層設(shè)備物理層設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)中直接處理信號(hào)的硬件設(shè)備。它們負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或光信號(hào)，并在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。5.1網(wǎng)卡11.網(wǎng)卡簡(jiǎn)介網(wǎng)卡是計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。22.網(wǎng)卡的功能網(wǎng)卡包含物理地址信息，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備識(shí)別，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝和解封裝。33.網(wǎng)卡的類型網(wǎng)卡的類型包括有線網(wǎng)卡和無(wú)線網(wǎng)卡，分別對(duì)應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)連接方式。44.網(wǎng)卡的重要性網(wǎng)卡是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，沒(méi)有網(wǎng)卡就無(wú)法連接到網(wǎng)絡(luò)。5.2集線器集線器功能集線器是一種簡(jiǎn)單的物理層設(shè)備，用于連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)或打印機(jī)。工作原理集線器采用“廣播”方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)包復(fù)制到連接的所有端口，不進(jìn)行地址識(shí)別和過(guò)濾。應(yīng)用場(chǎng)景集線器通常用于小型局域網(wǎng)，例如家庭網(wǎng)絡(luò)或小型辦公室網(wǎng)絡(luò)，但已逐漸被性能更優(yōu)的交換機(jī)所取代。5.3網(wǎng)橋網(wǎng)橋的功能網(wǎng)橋是一種連接兩個(gè)或多個(gè)局域網(wǎng)的設(shè)備，可以根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)橋的工作原理網(wǎng)橋維護(hù)一個(gè)MAC地址表，用于記錄連接到其上的設(shè)備的MAC地址，并根據(jù)MAC地址將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)橋的優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)橋可以隔離不同網(wǎng)絡(luò)之間的廣播風(fēng)暴，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，并可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。網(wǎng)橋的應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)橋通常用于將兩個(gè)物理隔離的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，例如將不同的樓層或部門的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。5.4交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中心交換機(jī)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)。它通過(guò)分析數(shù)據(jù)包的MAC地址，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)設(shè)備。物理層的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)，為網(wǎng)絡(luò)互連互通提供保障。物理層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口、信號(hào)類型、傳輸介質(zhì)等，確保不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備能夠兼容互操作。6.1IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范。IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層。IEEE802.15藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，定義了無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層規(guī)范。IEEE802.10光纖網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，用于定義光纖網(wǎng)絡(luò)的物理層規(guī)范。6.2WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11WLAN標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.11委員會(huì)制定，定義了無(wú)線局域網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范。802.11系列標(biāo)準(zhǔn)多個(gè)版本：802.11a/b/g/n/ac/ax，每個(gè)版本都提供了更快的傳輸速度和更強(qiáng)的抗干擾能力。關(guān)鍵技術(shù)包括：頻率范圍、調(diào)制方式、編碼方案、傳輸速率等，共同保障WLAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。6.3藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，用于連接不同設(shè)備。它使用無(wú)線電波在短距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，例如音頻流、數(shù)據(jù)傳輸和文件共享。廣泛應(yīng)用藍(lán)牙廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備，包括智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、耳機(jī)、音響系統(tǒng)和汽車。它使這些設(shè)備之間能夠輕松連接和通信。標(biāo)準(zhǔn)化組織藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(BluetoothSpecialInterestGroup,SIG)制定和管理，該聯(lián)盟是一個(gè)非營(yíng)利組織，負(fù)責(zé)藍(lán)牙技術(shù)的開(kāi)發(fā)、推廣和認(rèn)證。7.物理層安全技術(shù)物理層安全技術(shù)對(duì)于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要。它通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行加密、認(rèn)證等措施，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。7.1物理層攻擊與防御11.竊聽(tīng)攻擊者通過(guò)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，獲取敏感信息。22.偽造攻擊者偽造網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，欺騙接收方。33.拒絕服務(wù)攻擊者發(fā)送大量數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)資源耗盡。44.重放攻擊攻擊者截獲并重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，造成惡意行為。7.2加密與認(rèn)證技術(shù)數(shù)據(jù)加密物理層加密技術(shù)主要用于保護(hù)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性。常用的加密方法包括對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密。對(duì)稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密，例如AES算法。非對(duì)稱加密使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密，例如