计算机网络之物理层

一、概述

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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

主要任务：

• 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、固定和锁定装置等
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
• 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

二、数据通信

1:数据通信系统的模型
通信的目的就是传送消息。
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统的内容：

• 源点：源点设备产生要传输的数据
• 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中传输；如调制器
• 接收器：接收传输系统发送来的信号，并转换成能被目的设备处理的信息；如解调器
• 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出

常用术语：

• 数据（data）：运送消息的实体
• 信号（signal）：数据的电气的或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
  
• 码元 (code)：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
• 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，一次一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

2:三种通信方式

(1)单向通信(单工通信)：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互；只需要一条信道

例如，无线电广播就采取这种方式

(2)双向交替通信(半双工通信)：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，而是一方发送另一方接收，一段时间后可以反过来；两条信道

例如，对讲机采取此通信方式

(3)双向同时通信(全双工通信)：通信双方可以同时发送和接收信息；两条信道；传输效率最高

例如，电话采取此通信方式

3:两种数据传输方式
（1）串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，只需要一条数据传输线路

速度慢，费用低，适合远距离传输。

（2）并行传输：一次发送 n 个比特，需要 n 条传输线路

速度快，费用高，适合近距离，用于计算机内部的数据传输。

三、编码与调制

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，它们可以统称为 消息。数据是运送消息的实体。计算机中的网卡将比特0和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。
由信源发出的原始电信号称为 基带信号 ，基带信号分为 数字基带信号、模拟基带信号 两类。信号需要在信道 中传输，信道根据传输信号可分为 数字信道和 模拟信道 两种。

1：基本概念

（1）码元
码元是指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。简单来说码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。
1码元可以携带多个比特的信息量。例如在使用二进制时，只用两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态。

（2）速率
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，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来表示。

码元传输速率：别名码元速率，波形速率，调制速率，符号速率等，它表示时间单位内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统值每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制无关。

一秒传输多少个码元

信息传输速率：别名信息速率，比特率等，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）单位是比特/秒（b/s）；

一秒传输多少个比特

关系：若一个码元携带n比特信息，则 M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M✖️n bit/s

（3）带宽
表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所通过的“最高数据率”。常用来表示网络通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

2:编码
把数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输，称为 编码。例如，以太网使用 曼切斯特编码，4B/5B，8B/10B 等编码
将模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输，也称为 编码。例如，对音频信号进行编码的脉码调制 PCM
常见编码有：
（1） 归零编码 ：自同步，编码效率低
每个码元传输结束后信号都要 “归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号

正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。

• 实际上，归零编码相当于将时钟信号用 “归零” 方式编码在了数据之内，这种称为 “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

（2）不归零编码：存在同步问题
所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平

正电平代表 1，负电平代表 0。

• 需要额外一根传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元
• 由于不归零编码存在同步问题，因此计算机网络中的数据传输不采用此类编码

（3）曼彻斯特编码
在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。例如，负跳变表示比特 1，正跳变表示比特 0。

位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

• 码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据
• 传统以太网就使用的曼切斯特编码

（4）差分曼彻斯特编码
比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1

• 跳变仅表示时钟
• 码元开始处电平是否发生变化表示数据

3:调制
将数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输，称为 调制。例如，WIFI 采用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方式
将模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输，也称为 调制。例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输

（1）基本调制方法

• 基本调制属于二元制，也就是只能调制出两种基本波形，每种波形表示1比特的信息量
• 基本调制包括 调幅AM、调频FM、调相PM。调幅信号有两种不同振幅的基本波形构成；调频信号由两种不同频率的基本波形构成；调相信号由两种不同初相位的基本波形构成
• 如果要使一个码元包含多个比特信息，可以采用混合调制的方法

（2）混合调制
混合调制，属于多元制，也就是可以调制出多种基本波形。
因为频率和相位是相关的，即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中的一个。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。

举个：正交振幅调制 QAM-16

• 可以调制出 12 种相位
• 每种相位有 1 或 2 种振幅可选
• 因此共可以调制出 16 种码元（波形），每种码元可以对应表示 4 个比特
  
• 码元与 4 个比特的对应关系不能随便定义，应采用格雷码。任意两个相邻码元之间只有 1 个比特不同
  

四、奈氏准则与香农定理

1:信号失真
信号在传输过程中会受到各种因素的影响，使得信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为 码间串扰 ，如图

造成信号失真的因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

2:奈氏准则

• 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，例如 QAM-16
• 实际信道所能传输的码元速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。奈氏准则是理想条件下推导的，没有考虑传输距离、噪声干扰等因素
• 如果题目没有特别指明信道是带通信道，也就是给出了信道频率的上下限，则信道属于低通信道

例题：

3:香农公式

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信道的极限传输速率越高
• 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑

例题：

五、传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
特别要注意的是传输媒体不是物理层，而是位于物理层下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时成传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但是传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思，但是物理层规定了电气特性，因此能够识别所传输的比特流。

传输媒体分为两类：导引型传输媒体、非导引型传输媒体
导引型传输媒体：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线；
非导引型传输媒体：无线电波、微波、红外线、可见光

1:导引型传输媒体
（1）同轴电缆

（2）双绞线

（3）光纤

光纤种类：
多模光纤：可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。
单模光纤：只能传一种模式的光，因此其模间色散很小，适用于远程通讯。

（4）电力线
目前如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线是不能满足要求的

2:非导引型传输媒体
可以利用电磁波在自由空间的传播来传送信息

（1）无线电波

• LF和MF频段依靠地面波
• HF和VHF频段依靠电离层的反射
  
  （2）微波
• 微波在空间主要是直线传播，微波会穿透电离层进入宇宙空间
• 分为地面微波接力通信、卫星通信
  
  （3）红外线
• 点对点无线传输
• 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
• 传输速率低（4Mb/s~16Mb/s)

（4）可见光

LIFI（Light Fidelity）光保真技术，又称为可见光无线通信，该技术是一种利用可见光波谱进行数据传输的全新无线传输技术。LIFI通过在LED上植入一个微小的芯片，利用电信号控制发光二极管（LED）发出肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息，这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接只要在室内开启电灯，无需WIFI也可接入互联网。

六、物理层设备

1:中继器
由于存在损耗，在线路传输上传输的信号会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此导致接收错误。于是中继器的作用就是：将信号整形并放大再转发出去，消除信号的失真和衰减问题，以增加信号的传输距离，延长网络长度。

中继器的两端：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联，且两个网段速率要相同。中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有数据错误或者不适于网段的数据。

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范围内进行，否则会导致网络故障。

2:集线器（多口中继器）
对信号进行再生放大转发，对衰减信号进行放大，接着装发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口，以增加信号传输的距离，延长网络长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。