计算机网络第二章(物理层)

第二章 物理层(Physical Layer)

在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体大致可以分为两类：导引型传输媒体和非导引型媒体。

• 导引型传输媒体 双绞线 同轴电缆 光纤
• 非导引型传输媒体 微波通信(2~40GHz)

​ 计算机网络中的物理层就是要解决各种传输媒体上传输比特0/1的问题，进而给数据链路层提供“透明”传输比特流的服务，“透明”是指数据链路层看不见，也无需看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0/1的，它只管享受物理层提供的比特流传输服务即可。物理层协议层为了解决各种传输媒体上传输比特0/1的问题，主要有以下四个任务：机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

1. 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
2. 电器特征 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种意义
4. 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.1 物理层下的传输媒体

传输媒体不属于网络结构中的任意一层，若非要将其安排的话，那就是物理层之下。传输媒体大致可以分为两类：导引型传输媒体和非导引型媒体。

2.1.1 导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播，常见的导引型传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤、电力线。

• 同轴电缆，各层是共圆心的，也就是同轴心的。
  • 50欧阻抗的基带同轴电缆 用于数字传输，在早期的局域网中广泛使用。
  • 75欧阻抗的宽带同轴电缆 用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。
  • 缺点：较贵且布线不够灵活。

• 双绞线是最古老又最常用的传输媒体。
  • 绞线可以抵御外界的电磁波干扰
  • 减少相邻导线的电磁干扰

常用的绞合线类别、带宽和典型应用

• 光纤

2.1.2 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体是指自由空间，可使用的电磁波有无线电波、微波、红外线、可见光波。

传输方式

2.2 传输方式

2.2.1 串行传输与并行传输

串行传输是指，数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端和接受端之间，只需要一个数据传输线即可。并行传输是指，一次发送个n个比特的数据，为此，在发送端和接收端之间要又n条传输线路。并行传输的有点是快，但缺点是成本高，故一般在计算机网络之间的通信为串行通信，计算机内部的通信为并行通信。

2.2.2 同步传输和异步传输

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是0还是1.由于不同设备的时钟频率存在一定的差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位，因此需要采取方法使接收双方的时钟保持同步。

实现收发双方时钟同步的方法主要有两种：

1. 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
2. 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(如曼彻斯特编码)

异步传输：采用异步传输时，字节是独立的数据单位，字节之间道德时间间隔不是固定的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

2.2.3 单工、半双工与全双工

2.3 编码与调制

在计算机网路中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片音频和视频，他们可以统称为消息。数据是运输消息的实体，计算机只能处理二进制数据。计算机中的网卡，将比特0/1变换成相应的电信号发送给网线，也就是说，信号是数据的电磁表现。由信源发出的原始信号称为基带信号。基带信号可分为两类：

• 数字基带信号 如计算机内部CPU与内存之间传输的信号。
• 模拟基带信号 如麦克风收到声音后产生的音频信号

信号需要在信道中进行传输，可分为数字信道和模拟信道两种。

在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码，编码后产生的信仍为数字信号，可以在数字信道中传输（如曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码）。把数字基带信号的频率范围，搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制，调制后产生的信号为模拟信号，可以在模拟信道中传输。

对模拟基带信号也有编码和调制两种，对模拟信号进行编码的典型应用是对音频信进行编码的脉码调制PCM，即对模拟信号，通过采样、量化、编码这三个步骤进行数字化。对模拟信号进行调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，如传统的电环。

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数字的基本波形。简单来说，码元就是构成信号的一段波形。

2.3.1 常用编码

• 不归零编码 正电平表示1，负电平表示0
  • 需要额外一根传输线来传输时钟信号，以便接收双方同步
  • 对于计算机网络，一般不采用这种编码
• 归零编码 正电平表示1，负电平表示0。每个码元传输结束以后，信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可。实质相当于把时钟信号用归零的方式编码在了数据之内，这称为**“自同步”**信号。但缺点是编码效率低
• 曼彻斯特编码 利用电压的正负跳变来编码0/1
• 差分曼彻斯特编码 用码元开始处电平是否发送变化来表示数据

2.3.2 基本调制方法

使用基本调制方法，一个码元只能包含一个比特信息。可以采用混合调制的方法，使一个码元包含很多的信息。

2.3.2.1正交振幅调制QAM

• QAM-16
  • 有12种相位
  • 每种相位有1或2种振幅可选。
  • 可以调制处16种码元，每个码元可以对应4个比特
  • 码元与4个比特的对应关系采用格雷码。

2.4 信道的极限容量

信号在传输过程中，会受到各种因素的影响。当失真不严重时，还可以辨识出信号，当失真严重时，信号波形就是去了码元之间的清晰界限(即码间串扰)。

参数失真的原因主要有码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰和传输媒体质量等。

2.4.1 奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

$$理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud=2W码元/秒$$

$$理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud=W码元/秒$$

W:信道带宽（单位Hz）

Baud：波特，即码元/秒

码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定的关系。

• 当一个码元只携带1比特的信息量时，则波特率(码元/秒)与比特率(比特/秒)在数值上是相等的。

• 当一个码元携带n比特的信息量时，则在数值上，

  ​ $$波特率\ast n=比特率$$

要提高信息传输速率(比特率),就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。

思考:只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，就可以无限制地提高信息的传输速率？

答：不是。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在通道中传输时的信噪比。因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大.

2.4.2 香农公式

带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
​ $$c=W\ast lo{g}_2(1+\frac{S}{N})$$

$c:信道的极限信息传输速率（单位：b/s）$

$W：信道带宽（单位：Hz）$

$S：信道内所传信号的平均功率$

$N:信道内的高斯噪声功率$

$S/N:信噪比，使用分贝(dB)作为度量的单位。$

​$信噪比(dB)=10\ast lo{g}_{10}(\frac{S}{N})(dB)$

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
• 在实际信道上，能达到的信息传输速率要比该公式计算得出的低很多。因为在实际通道中，信号还要收到其他一些损伤，如脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真当。

在信道宽度一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要提高信息的传输速率，就必须采用多元制和提高信道中的信噪比