计算机网络：物理层

第二章 物理层

临近期末，对本学期学习的计算机网络知识进行总结。
使用教材为《计算机网络（第七版）》— 谢希仁。
如有错误，请各位大佬指出。

第三章：数据链路层

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是连接在计算机的具体的物理设备或具体传输媒体。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性------>定义标准。

物理层四大特性：

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线接口、引脚数量和排列情况。
2. 电气特性：规定二进制位传输时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。
3. 功能特性：指明线路上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
4. 过程(规程)特性：定义各条物理线路的工作规程和时序的关系。

一、通信基础

1、基本概念

1.1、数据、信号与码元

数据：传送信息的实体；

信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 连续变化的数据(信号)称为模拟数据(信号)；
• 取值仅允许为有限的几个离散数值的数据(信号)成为数字数据(信号)。

数据传输方式：

1. 串行传输、并行传输

• 串行传输：一个一个的比特按照时间顺序传输（速度慢、费用低、适合远距离）；
• 并行传输：多个比特通过多条通信信道同时传输（速度快、费用高、适合近距离）。

2. 同步传输、异步传输

• 同步传输：在同步传输模式下，数据的传送是以一个区块为单位，因此同步传输也称区块传输。在传输数据时，需先送出1个或多个同步字符，在送出整批数据
• 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传输，小组可以是1个字符或者更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道他们会在什么时候到达。传输数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

码元：用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示以为k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号成为k进制码元，而该时长称为码元宽度。

1.2、信源、信道与信宿

信源：产生和发送数据的源头；

信宿：接收数据的终点；

信道：信号的传输媒介；

数据通信系统模型：

1.3、单工通信、半双工通信和全双工通信

• 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需一条信道。例如：无线电广播、电视信号。
• 半双工通信：通信的双方都可以发送和接受信息，但任何一方都不能同时发送和接受信息，需要两条信道（双向交替发送）。例如：无线电对讲机。
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，需要两条信道（双向同时发送）。例如：电话。

1.4、速率、波特和带宽

速率：也称数据率，指的是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传出速率表示。

• 码元传输速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud）。1波特表示每秒传输一个码元。
• 信息传输速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

带宽：原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz）。在实际网络中，表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，单位是b/s。

2、奈奎斯特定理、香农定理

2.1、奈奎斯特定理

又称奈氏准则，指出在理性低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽（信道带宽：信道能通过的最高频率与最低频率之差），单位为HZ。用V表示每个码元离散电平的数目，则极限数据率为：
$$理想低通信道下的极限数据传输率=2W{\log }_{2}V$$
失真：信号在传输的过程中出现了扭曲、变化。

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率；
2. 信号传输距离；
3. 噪声干扰；
4. 传输媒体质量。

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

通过奈氏准则，可以得出以下结论：

1. 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端无法完全正确识别码元。
2. 信道的频带越宽，就可用更高的速率进行马原的有效传输；
3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但未对信息传输速率给出限制；
4. 由于码元的传输速率收到奈氏准则的限制，所以要提高数据的传输速率，就必须设法提高码元携带的信息量。

2.2、香农定理

香农定理给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输率，当一次速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为：
$$信道的极限数据传输率=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})（单位是b/s）$$
式中：W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

信噪比：信号的平均功率与噪声的平均功率之比，公式为：${\log }_{10}(\frac{S}{N})$，单位为：dB。香农公式中的信噪比为比值，如：当题目中给出条件为S/N = 1000时，可直接带入计算，当给出信噪比为10dB时，需要进行换算，换算出比值：S/N = 10。

通过香农定理，可以得出结论：

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高；
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的；
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输；
4. 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

奈氏准则只考虑了带宽和极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，还考虑了信噪比。同时也从另一个方面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。

3、编码与调制

补充：

把数据变换为模拟信号的过程称为调剂；

把数据变换为数字信号的过程称为编码。

3.1、数字数据编码为数字信号

1、归零编码 RZ

高电平代表1，低电平代表0，每个时钟周期中间均跳变到低电平（归零）。

2、非归零编码 NRZ

高电平代表1，低电平代表0。

编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。若需要传输高速同步数据，则需要带有时钟线。

3、反向归零编码 NRZI

信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

4、曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1，码元0则相反（也可才采用相反的规定）。

每一个码元中间出现电平跳变，位于中间的跳变，既可作为时钟周期，有作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

5、差分曼彻斯特编码

常用于局域网传输。若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则相反。同1异0。

每个码元中间都有一次电平的跳变，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

6、4B/5B编码

将欲发送的数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5bB编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共有32种组合，但只采用其中的16中对应16中不同的4位码，其他的16种作为控制码。编码效率位80%。

3.2、数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号。

1、调幅（AM）

载波的振幅随基带数字信号而变化。

2、调频（FM）

载波的频率随基带数字信号而变化。

3、调相（PM）

载波的初始相位随基带数字信号而变化。

4、调幅+调相（QAM）

将调幅与调频结合起来，形成叠加信号。

3.3、模拟数据编码为数字信号

例如：计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现数字音频化）。

主要过程包括三步：抽样、量化、编码。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号转变成时间上离散的信号；

为了使所得的离散信号能无失真的代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：

$f_{采样频率}>=2f_{信号最高频率}$

2. 量化：把抽样所得的点按一定的分级标准转化为一定的数值（整数值）。
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

3.4、模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要更高的频率。

4、数据交换方式

4.1、电路交换

在数据传送之前需建立一条专用的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成，中间可能经过许多中间节点），在线路被释放之前，该通路一直被一对用户完全占有。

电路交换的三个阶段：链接建立---->数据传输---->连接释放。

电路交换的优点：

1. **通信时延小。**通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。
2. **有序传输。**双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
3. **没有冲突。**不同的通信双方拥有不同的信道。
4. **适用范围广。**电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。
5. **实时性强。**通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信。
6. **控制简单。**电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

电路交换的缺点：

1. 建立连接时间长。
2. **线路独占。**不传输数据时，线路空闲，导致使用效率低。
3. **灵活性差。**出现故障就必须重新建立连接。
4. 难以规格化。
5. 无法发现与纠正传输错误。

示例：电话网。

4.2、报文交换

报文：报文是交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了要发送的完整的数据信息。

无需建立专门连接，报文携带有目标地址等信息，采用存储转发。

报文交换的优点：

1. **无需建立连接。**用户可随时发送报文。
2. 动态分配线路。
3. **提高线路可靠性。**若某条路径发生故障，可选择其他路径传输数据。
4. **提高线路利用率。**通信双方不独占线路。
5. **提供多目标服务。**一个报文可以同时发送给多个目标地址。

报文交换的缺点：

1. **实时性差。**数据进入交换节点后要经过存储、转发过程，会引起转发时延。
2. 对报文的大小没有限制，因此网络节点需要有较大的缓存空间。

4.3、分组交换

分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息，构成分组。

网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一结点，直到到达目的结点。

分组交换的优点：

1. **无建立时延。**用户可随时发送分组。
2. **线路利用率高。**不会独占线路。
3. 简化了存储管理。
4. 加速传输。
5. **减少了出错概率和重发数据量。**分组较短，出错概率减小，重发数据量也减小。

分组交换的缺点：

1. **存在传输时延。**相对于电路交换而言。
2. **需要传输额外的信息量。**分组包含控制信息。
3. 可能会出现失序、丢失或重复分组。

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。

4.3.1 虚电路

为了进行数据的传输，网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路，因为这条逻辑电路不是专用的，所以称之为“虚”电路。每个节点到其它任一节点之间可能有若干条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。这些虚电路的实际路径可能相同，也可能不同。与电路交换类似，分为三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路释放。

特点：

1. 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销。
2. 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段。
3. 虚电路提供了可靠的通信功能。
4. 某个结点或链路出现故障时，通过该结点或链路的虚电路都将遭到破坏。
5. 分组的首部不包含目的地址，而包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小。

4.3.2 数据报

在数据报方式中，每个分组被称为一个数据报。若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块。每个数据报自身携带有足够的信息。它的传送是被单独处理的。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一个节点。

特点：

1. 发送分组前不需要建立连接。
2. 网络尽最大可能交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，分组不一定按照顺序到达。
3. 发送的分组要包括发送端和接收端地完整地址。
4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。
5. 网络具有冗余路径，当出现故障时，可相应地更新转发表，寻找其他路径转发分组。
6. 存储转发的延时一般较小，提高了网络吞吐量。
7. 收发双方不独占线路，资源利用率高。

4.4、数据交换方式的选择

1. 传输数据量大，且传输时间远大于呼叫时间时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通信由很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适用于计算机之间的突发式的数据通信。

二、传输介质和设备

1、传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，时数据传输系统中在发送设备和接受设备之间的物理通路。

**传输媒体不是物理层。**传输媒体在物理层之下，有时可以称之为0层。

1.1、导向传输介质

1. **双绞线。**有屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP。
2. **同轴电缆。**通常分为50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。
3. **光纤。**管线在纤芯中传输的方式是不断全反射。

1.2、非导向传输介质

无线传输所使用的频段很广。

短波通信只要靠电离层的反射，但通信质量很差。

1. 无线电波。
2. 微波、红外线和激光。

2、物理层设备

1. 中继器
2. 集线器

3、宽带接入技术

1. xDSL技术。用数字技术对模拟电话用户线进行改造。
2. 光纤同轴技术（HFC网）。
3. FTTx技术。FTTH光纤到家、FTTB光纤到楼、FTTC光纤到路边。

三、信道复用技术

1、频分复用、时分复用和统计时分复用

1.1、频分复用 FDM

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。

1.2、时分复用 TDM

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。

1.3、统计时分复用 STDM

是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。

2、波分复用 WDM

光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

3、码分复用 CDM

常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

具体内容：

1. 为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 S 和 T 有$\frac{1}{m}S\cdot T=0$
2. 为了讨论方便，取 m=8，设码片 s 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到(其中 S’ 为 S 的反码)：$\frac{1}{m}S\cdot S=1$和$\frac{1}{m}S\cdot S^{\prime }=-1$
3. 利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。