「计网二」物理层
文章目录
- 一、物理层的基本概念
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- 1.1 物理层要解决的问题
- 1.2 物理层协议的主要任务
- 二、物理层下的传输媒体
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- 2.1 导引型传输媒体
- 2.2 非导引型传输媒体
- 三、 传输方式
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- 3.1 串行传输和并行传输
- 3.2 同步传输和异步传输
- 3.3 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
- 四、 编码与调制
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- 4.1 数字通信中的常用术语
- 4.2 几种常见编码
- 4.3 基本调制方法和混合调制方法
- 五、 信道的极限容量
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- 5.1 造成信号失真的原因
- 5.2 奈氏准则
- 5.3 香农公式
- 六、 小结
一、物理层的基本概念
1.1 物理层要解决的问题
计算机网络中的物理层就是解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。
在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多，这些传输媒体大致可以分为两类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
常见的导引型传输媒体有：双绞线、同轴电缆、光纤等。
常见的非导引型传输媒体有：微波通信（2～40Hz，如2.4GHz和5.8GHz频段的WiFi）。
1.2 物理层协议的主要任务
为了解决在传输媒体上传输比特流的传输问题，所有物理层协议主要有4个任务：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。
1.机械特性：指明接口所用的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。
总的来说，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流；物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
二、物理层下的传输媒体
首先明确一点：传输媒体并不属于计算机网络机构体系中的任何一层，但若非要将其纳入计算机网络体系结构中，只能将其放在物理层之下。
传输媒体可分为两类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
2.1 导引型传输媒体
导引型传输媒的特点是电磁波被导引沿着固体媒体传播。
常见的导引型传输媒体：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。
（1）同轴电缆
同轴电缆分为两类：
基带同轴电缆（50Ω）：数字传输，过去用于局域网；
宽带同轴电缆（75Ω）：模拟传输，目前主要用于有线电视。
同轴电缆价格较贵且布线不够灵活，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。
（2）双绞线
把两根互相绝缘的铜导线放在一起，按照一定规则绞合起来结构成了双绞线。
搅合的作用：
1）抵御部分来自外界的电磁波干扰；
2）减少相邻导线的电磁干扰。
双绞线分为两类：
1）无屏蔽双绞线UTP电缆；
2）屏蔽双绞线STP电缆：如上图所示，比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力。
（3）光纤
光纤分为两类：
1）多模光纤：直径50微米、62.5微米等。
2）单模光纤：直径9微米等。
光纤工作波长：0.85微米（衰减较大）、1.30微米（衰减较小）、1.55微米（衰减较小）。
光纤的优点：
1）通信容量大（25000～30000GHz的带宽）；
2）传输损耗小，远距离传输时更加经济；
3）抗雷电和电磁干扰性能好，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要；
4）无串音干扰，保密性好，不易被窃听；
5）体积小，重量轻。
光纤的缺点：
1）切割需要专用设备；
2）光电接口价格较高。
光在光纤中传输的基本原理：
纤芯是由非常透明的石英玻璃拉成的细丝，直径8～100微米；包层是折射率比纤芯低的玻璃封套，直径125微米。
在发送端可以使用发光二极管或半导体激光器作为光源。在接收端可以采用光电二极管或激光检波器检测光脉冲。
当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全发射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。 也就是说，光在光纤中传输的方式是不断的全反射。
多模光纤：
由于只要入射角大于某临界值就可以产生全反射，因此，可以存在许多条不同角度入射的光纤在一条光纤中传输，这就是多模光纤。
由于光的色散（模式色散、材料色散、波导色散），光再多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽）。
因此，多模光纤只适合近距离传输（如建筑物内）。但是对光源的要求不高，可以使用比较便宜的发光二极管，相应的使用光电二极管检测光脉冲。
单模光纤：若光纤的直径减少到只有一个波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光纤一直向前传播，而不会产生多次折射。这样的光纤就是单模光纤。
单模光纤没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消，没有脉冲展宽问题。
单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高，需要使用昂贵的半导体激光器作为光源，相应的，需要采用激光检波器检测光脉冲。
（4）电力线
应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。目前如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线作为传输媒体是不能满足要求的。
2.2 非导引型传输媒体
非导引型传输媒体的特点是电磁波在自由空间中传播。
常见的非导引型传输媒体：无线电波、微波、红外线、可见光。
（1）无线电波
低频（长波）～甚高频（米波）
其中低频和中频频段，主要利用地面波传输；高频和甚高频频段，主要是靠电离层的反射。
（2）微波
特高频（分米波）～极高频（毫米波）
微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。
传统的微波通信有两种方式：
1）地面微波接力通信
由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般为50km左右。但若采用100m高的天线塔，传播距离可增大到100km。
为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，因此称为接力。
2）卫星通信
常用的卫星通信方法是在地球站之间，利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点是通信距离远，相应的传播时延比较大，一般在250～300ms之间。
除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。
（3）红外线
属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率低（4Mb/s～16Mb/s）
应用实例：电视空调等。
（4）可见光
正在研发的LiFi技术应用的就是可见光传输信号。
三、 传输方式
3.1 串行传输和并行传输
（1）串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端和接收端只需要一条传输线路即可。
（2）并行传输：一次发送n个比特而非1个比特，因此在发送端和接收端只需要n条传输线路。因此其速度是串行传输的n倍；缺点为成本高。
在计算机网络中，数据采用串行传输；
计算机内部数据的传输方式，常采用并行传输。如CPU与内存之间通过总线进行数据传输（常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位）。
3.2 同步传输和异步传输
（1）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，来判断接收到的是0还是1。
由于不同设备的时钟频率存在时钟差异，不可能做到完全相同。在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累积误差，会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的始终保持同步。
实现收发双方时钟同步的方法有两种：
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（如传统以太网采用的曼彻斯特编码）。
（2）异步传输
以字节为独立的传输单位，字节之间的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。因此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。
这里的异步指的是字节之间的异步，也就是字节之间的时间间隔不固定；但是字节中的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的。
3.3 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
（1）单工通信
通信双方只有一个数据传输方向，如无线电广播。
单工通信只需要一条信道。
（2）半双工通信
通信双方可以相互交换数据，但是不能同时进行，如对讲机。
半双工通信需要两条信道，每个方向各一条。
（3）全双工通信
通信双方可以同时发送和接收信息，如电话。
全双工通信需要两条信道，每个方向各一条。
四、 编码与调制
4.1 数字通信中的常用术语
消息：计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，可统称为消息。
数据：运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。
信号：计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线。也就是说，信号是数据的电磁表现。
基带信号：由信源发出的原始电信号。
基带信号可分为两类：
（1）数字基带信号。如计算机内部CPU与内存之间传输的信号。
（2）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，信道可分为数字信道和模拟信道两种。
（1）数字信号：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。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。
（2）模拟信号：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。调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。简单来说，码元就是构成信号的一段波形。如下图的信号就由两种码元构成。
传输媒体与信道的关系：传输媒体与信道不能完全划等号。
对于单工传输，传输媒体中只有一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道。
对于半双工和全双工传输，传输媒体中包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接收信道。如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。
在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法，在相应的信道中进行传输。
4.2 几种常见编码
（1）不归零编码
如上图所示，不归零编码在整个码元时间内，不会出现零电平。接收方要准确判断出接收的是几个码元，需要与发送方的发送做到严格的同步，因此就需要一个额外的传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍逐个接收码元，使发送方和接收方同步。但是对于计算机网络而言，不希望浪费一根传输线来传输时钟信号。因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。
（2）归零编码
如上图所示，归零编码在每个码元传输结束后信号都要“归零”，接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
实际上，归零编码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。但是归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了，效率低。
（3）曼彻斯特编码
如上图所示，曼彻斯特编码在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变（如上图中负跳变表示1，正跳变表示0。这个没有规定，具体问题具体分析）。码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。 传统以太网使用的就是曼彻斯特编码。
（4）差分曼彻斯特编码
如上图所示，差分曼彻斯特编码在每个码元的中间时刻都会发生跳变，但是这个跳变仅表示时钟，用码元开始处电平是否发生变化来表示数据（如图中开始处电平变化表示0，电平不变表示1）。
4.3 基本调制方法和混合调制方法
假设要在模拟信道中传输来自信源的原始数字信号：将待传输的数字基带信号调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。
可以通过调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)的方法来产生模拟信号：
（1）调幅：如下图所示，调幅也就是调整波形的振幅，可以用无载波输出表示0，有载波输出表示1。
（2）调频：如下图所示，调频也就是调整波形的频率，频率为f1的波形表示0，频率为f2的波形表示1。
（3）调相：如下图所示，调相也就是调整波形的初相位，初相位位0度的波形表示0，初相位为180度的波形表示1。
可以看出，使用基本调制方法（二元制：只能调制出2种基本波形），一个码元只能包含1个比特的信息。我们所希望的是一个码元能够包含多个比特的信息，这就可以使用混合调制（多元制：可以调制出多种基本波形）的方法。
怎么实现混合调制呢？其实频率和相位是相关的（频率是相位随时间的变化率），所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。然后再结合振幅进行调制就可以了。
通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。
如正交振幅调制QAM-16，码元与原点的距离看作振幅，连线的夹角看作相位：
1）这种调制方法可以调制出12种相位
每个象限有3个相位，共4*3=12个相位。
2）每种相位有1或2种振幅可选
观察某一象限，以第一象限为例：第一象限共有3个相位，其中0000码元和0011码元所对应的相位都只有1个振幅。而0001码元和0010码元所对应的相位有2个振幅。
3）共可调制出16种码元（波形），每个码元可以表示4个比特
4）每个码元与4给比特的对应关系不能随便定义，应采用格雷码。
如上图所示，若码元与4个比特的对应关系随便定义，接收端接收到ABCDE5个码元，这5个码元原本都是表示4个比特的，由于传输过程中产生失真，导致他们在星座图中并未落在理想位置。
接收端会将码元ABC解调为0000，正确；
将码元D解调为0001，有一个错位；
将码元E解调为1111，四个全错。
格雷码任意两个相邻码元只有1个比特不同：
五、 信道的极限容量
5.1 造成信号失真的原因
数字信号在通过实际的信道后，波形会产生失真。当失真不严重时，输出端还可以根据已失真的波形还原出发送的码元；若失真严重，输出端就很难判断信号什么时候是1，什么时候是0，信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫码间串扰。
产生失真的原因主要有：码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。
5.2 奈氏准则
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 = 2W Baud = 2W 码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W 码元/秒
W：信道带宽（单位Hz），Baud：波特，即码元/秒。
理想低通信道：就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道，而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。
理想带通信道：“带通矩形” 只允许上下限之间的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。二者的差别表现在有无下限。
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。它与比特率有一定关系：
1）当1个码元只携带1比特信息时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。
2）当1个码元只携带n比特信息时，波特率（码元/秒）在数值上是比特率（比特/秒）的n倍。
因此，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（混合调制 ）。
实际上的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。
需要注意的是，根据奈氏准则，只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，就可以无限的提高信息传输速率。这很明显是不可能的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输是的信噪比。噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。
5.3 香农公式
香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
C = W * log2(1+S/N) bit/s
C：信道的极限信息传输速率，单位是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，没有量纲单位，但是计算时使用分贝（dB）作为度量单位，因此想要计算出S/N，还需要通过下面的公式计算。
信噪比(dB) = 10 * log10(S/N) （dB）
根据香农公式可以看出：信道带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
由于香农公式没有考虑脉冲干扰、信号在传输过程中的衰减和失真等因素，因此实际上信道的最大信息传输速率比该公式的极限传输速率低不少。
综合奈氏准则和香农公式来看，在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
通过一道例题加深理解奈氏准则和香农公式：
若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少是？
解：设信号状态数（其实就是可调制出的不同基本波形或码元的数量）为x，则每个码元可以携带比特位的个数为log2(x)；
根据奈氏准则，信道在无噪声情况下的极限数据传输速率 = 2W 码元/秒 = 2W * log2(x) bit/s；
根据香农公式，信道在信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率C = W * log2(1+S/N)
根据信噪比计算公式：30 = 10 * log10(S/N)可知，S/N = 1000；
因此C = W * log2(1001) ≈ 10W；
由题意：2W * log2(x) >= 10W可知，x >= 32.
六、 小结
