计算机网络 —— 物理层

物理层

基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体

主要任务

确定与传输媒体接口有关的一些特性 —— 定义标准

• 机械特性
  • 规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
• 电气特性
  • 规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率、和距离限制等
• 功能特性
  • 指明某条线上出现的某一电平是何种意义
• 规程特性（过程特性）
  • 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信基础知识

典型的数据通信模型

相关术语

数据通信的目的是传送消息

• 数据
  • 传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
• 信号
  • 数据的电器/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式
  • 分类
    • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的
    • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的
• 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，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道
  • 分类
    • 按传输信号来分
      • 模拟信道：传送模拟信号
      • 数字信道：传送数字信号
    • 按传输介质来分
      • 无线信道
      • 有线信道

三种通信方式

• 单工通信

  • 只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道

• 半双工通信

  • 通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道

• 全双工通信

  • 通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输：速度快，费用高，适合近距离

码元、速率、带宽

码元

指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），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，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时，此时码元为M进制码元

• 1码元可以携带多个比特的信息量

速率

速率也叫数据率，指数据的传输速率，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输速率表示

• 注意传输速率与传播速度的区别：前者指主机向信道传输数据的速度，后者指电磁波、光波等在传播介质中的传播速度

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（也可称为脉冲个数或信号变化的次数）

• 单位：波特(Baud)，表示数字通信系统每秒传输多少个码元

• 别名：码元速率、波形速率、调制速率、符号速率

• 码元可以是多进制或二进制

• 码元速率与进制数无关

信息传输速率

表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是bit/s

• 表示每秒传输多少个比特

关系

若一个码元携带 n bit的信息量，则 M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 $M\times n$ bit/s

带宽

表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率“，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，单位是 bit/s

练习题

第一问：

$码元传输速率=\frac{8000}{4}=2000Baud$

$信息传输速率=码元传输速率\times lo{g}_{2}4=4000bit/s$​

第二问：

$码元传输速率=\frac{7200}{6}=1200Baud$​​

$信息传输速率=码元传输速率\times lo{g}_{2}16=4800bit/s$​​

最后一问：

4800bit/s > 4000bit/s

故后者快

奈氏准则 & 香农定理

失真

影响失真的因素

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

信道带宽

信道能通过的最高频率和最低频率之差

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

为解决码间串扰，产生了

奈氏准则

在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间干扰，极限码元传输速率为 $2WBaud$，W是信道带宽，单位是Hz​

⚠️第一个重要的公式
$$理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlo{g}_{2}V(bit/s)$$
​ V 指码元的离散电平数目，W是信道带宽，单位是Hz

• 若码元传输速率超过上限，就会出现严重的码间串扰问题
• 信道频带越宽，就可用更高的速率进行码元的有效传输
• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制， 但并没有对信息传输速率给出限制，故为提高信息传输速率就需使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

练习题

4个相位 + 4种振幅 -> 调相技术 + 调频技术 -> 信号有16种变化 -> 16种码元

故公式$2Wlo{g}_{2}V$中，V=16

由题目知$W=3kHz=3000Hz$

故最大数据传输率为$2\times 3000\times lo{g}_{2}16=24kb/s$

香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

• 噪声

  • $信噪比=\frac{信号的平均功率}{噪声的平均功率}$​​

  • 单位：S/N，分贝(dB)

  • 信噪比(dB)=$10lo{g}_{10}$​​(S/N)

  PS: S ---- Signal， N ---- Noise

⚠️第二个重要的公式
$$信道的极限数据传输速率=Wlo{g}_2(1+S/N)(b/s)$$
W是带宽，单位是Hz，S/N是信噪比，没有单位

• 信道带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了

• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输

• 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小

练习题

$30dB=10\times lo{g}_{10}10^3$

故$S/N=10^3$

最大数据传输速率=$3000\times lo{g}_2(1+10^3)\approx 30kb/s$

区别

练习题

二进制信号在信噪比为127：1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少？

用奈氏准则求出极限数据传输率=$2\times 4000\times lo{g}_{2}2=8000bit/s$​

用香农定理求出极限数据传输速率=$4000\times lo{g}_2(1+127)=28000bit/s$​

故最大数据速率可达到8000bit/s

进制数大于2时，由于奈氏准则求出的是码元传输速率，需将其转换为数据传输速率后与香农定理计算得出的结果比较取最小值

编码&调制

编码：数据 ----> 数字信号

调制：数据 ----> 模拟信号

基带信号与宽带信号

基带信号：

将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。

来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如说话 的声波就是基带信号。

宽带信号：

将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，在传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）

• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

具体方法

数字数据编码为数字信号

• 非归零编码（NRZ）

  • 高1低0
  • 优点：编码容易实现
  • 缺点：无检错功能，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

• 曼彻斯特编码

  • 将一个码元分为两个相等的间隔，前高后低表示1，前低后高表示9，也可以采用相反的规定
  • 特点
    • 在每个码元的中间出现电平跳变，跳变既作时钟信号（用于同步），又作数据信号
    • 所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍，所以数据传输速率只有调制速率的1/2
      • 解释：如上图，每个时钟周期电平变化了两次，一次是中间，一次是开头，但传输的数据只有1bit（二级制为例），由码元传输速率的概念可知，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（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），这里单位时间内信号变化了两次，但只传输了一个码元

• 差分曼彻斯特编码

  • 同1异0，基于时钟间隔左右两端的信号
  • 特点
    • 可实现自同步
    • 抗干扰性强于曼彻斯特编码
    • 所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍，所以数据传输速率只有调制速率的1/2（同于曼彻斯特编码）

• 归零编码（RZ）

  • 信号电平在一个码元之内都要恢复到0的编码方式

• 反向不归零编码（NRZI）

  • 信号电平翻转表示0，不变表示1
  • 缺点：发送端和接收端需要同步时钟（同非归零编码）

• 4B/5B编码

  • 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，即用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，编码效率为80%

数字数据调制为模拟信号

第四种：调幅+调相（QAM）

练习题

某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少？

4个相位 + 4种振幅 -> 调相技术 + 调频技术 -> 信号有16种变化 -> 16种码元 -> 16进制码元 -> 一个码元携带4bit

$信息传输速率=码元传输速率\times 码元携带的比特数=1200\times 4=4800bit/s$​​​​​

模拟数据编码为数字信号

PCM(Pulse-code modulation)，脉冲编码调制，能在计算机应用中达到最高保真水平，主要包括三步：抽样、量化、编码

• 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
  • 为了使离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样： $f_{采样频率}>2f_{信号最高频率}$​
    • 原因：由傅里叶变换可知所有信号都由正弦波叠加而成，因每个信号的频率已知，由$y=Asin(\omega x+\varphi )$得$\omega$已知，只需要确定一个周期内的两个不同点就能知道其波形，若采样频率小于2倍的该信号频率，则在一个周期内只能采集到一个点
• 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数
• 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

模拟数据调制为模拟信号

为实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术（数据链路层会介绍），充分利用带宽资源。

物理层传输介质

数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路（逻辑通路——信道），又称传输媒体/传输媒介

• 

分类

• 导向性传输介质：电磁波倍导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播

  • 双绞线：由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰（右手准则）

    

    

    • 通信距离：几公里~几十公里
    • 距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

  • 同轴电缆：由导体铜制芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外层构成

    50Ω同轴电缆传送基带数字信号，称为基带同轴电缆

    75Ω同轴电缆传送宽带信号，称为宽带同轴电缆

  • 光纤：

    光纤传输的是光脉冲，上述两种传输的是电脉冲

    

    特点：

    • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
    • 体积小，重量轻

• 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等

  • 无线电波
    • 信号向所有方向传播
    • 较强穿透能力，可实现远距离传输，广泛应用于通信领域（手机通信，WLAN等）
  • 微波
    • 信号沿固定方向传播
    • 通信频率高、频段范围宽，因此数据率很高，通信信道容量很大
    • 应用
      • 地面微波接力通信
      • 卫星通信
  • 红外线、激光
    • 信号沿固定方向传播
    • 把传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

物理层设备

中继器

功能

​ 对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度

两端

1. 两端的网络部分是网段而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同
2. 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据
3. 两端可连相同媒体，也可连不同媒体
4. 中继器两端的网段一定要是同一个协议

5-4-3规则

​ 网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障

5：不超过5个网段

4：最多只能有四个物理层网络设备（中继器或集线器）

3：最多三个网段可以连接计算机

集线器（多口中继器）

功能

​ 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备（广播）

• 集线器不能分割冲突域 -> 连在集线器上的工作主机平分带宽 -> 带宽降低，集线器效率降低

练习题连接

练习题1

练习题2

练习题3

练习题4

练习题5