五层协议之物理层

五层协议之物理层

一、物理层的基本概念

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

物理层的主要任务是确定传输媒体相关的一些接口的特性。

• 机械特性：接线器的尺寸、形状、引线数目等。
• 电气特性：各接线的电压范围，比如-5V ~ +5V。
• 功能特性：指某个线路出现某一电平代表什么含义，比如+5V代表1。
• 过程特性：规定建立连接时各个部件的工作顺序。

二、数据通信的基础知识

通信的目的是传送消息，下图是一个典型的数据通信系统：

几个基本术语：

1. 数据：数据是消息的实体。

2. 信号：数据的电气或电磁的表现。

   • 模拟信号：指信号是连续的。
   • 数字信号：指信号的离散的。

3. 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。

   在数字通信中，常常用时间间隔相等的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号成为二进制码元。这个间隔成为码元长度，1码元能携带nbit的信息。

   ​ 举个例子能更容易理解码元：小明和小红在两栋楼隔窗相望，小明准备向小红发一个密码，是1011，但小明只有一个普通手电筒（亮或不亮）。所以小明只能闪灯来发送密码，亮代表1，不亮代表0，表示为亮 ~ 不亮 ~ 亮 ~ 亮，这就是二进制码元发送，高电平表示1，低电平表示0，那么传送这个消息需要发送4个码元。

   ​ 如果小明此时有个高级手电筒，能支持四色变换呢，红色代表00，绿色代表01，蓝色代表10，紫色代表11。那么小明只需要发2次即可，蓝 ~ 紫。这就相当于一个四进制码元，一个码元携带了2bit的信息，传送这个消息只需要发送2个码元。

   三、有关信号的几个基本概念

1. 通信方式

概念	描述	举例
单向通信（单工通信）	只能一个方向的通信而没有反方向的交互	高安全级别机器向低安全级别机器单向传递消息
半双工通信	通信双方能互相发送消息，但不能同时发	早期的对讲机
全双工通信	通信双方能同时发送和接受消息	电话

2. 基带信号与带通信号

• 基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。计算机输出的表示图片、文字的数据信号都属于基带信号。基带信号直接表达了要传输的信息，我们说话的声波就是。
• 带通信号：基带信号通过调制后，变成方便在信道中传输的信号。

北京的播音员对话筒说话，声波（基带信号）在话筒中转化成了带通信号，向四处远距离传递。上海的人民就通过收音机能接受到信号，并解调成人能听懂的声波。

所以在距离较近的情况下，计算机网络直接通过基带信号来传递数据，因为其衰减不大，不会影响信号内容，比如显示器、打印机。

3. 基本的调制方法

1. 调幅（AM）：载波的振幅随数字信号而变化；
2. 调频（FM）：载波的频率随数字信号而变化；
3. 调相（PM）：载波的初始相位随数字信号而变化；

调相可以理解为正弦波/余弦波之间的改变。

4. 信号的常用编码（选学）

1. 单极性不归零码：只有高电平，高电平代表1，零电平代表0；
2. 双极性不归零码：有正负电平两种，分别表示1、0，而且幅度相等；
3. 单极性归零码：在发送1的整个码元期间只有一段时间保持高电平，其余时间返回零电平；
4. 双极性归零码：和上面类似，只是低电平换成负电平；
   
5. 曼彻斯特码：在一个时间周期内，从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。
6. 差分曼彻斯特码：在一个时间周期内，有信号跳转表示0，没信号跳转表示1。
   

两种曼彻斯特编码可以表示没有数据传输的时段。因为只要有数据在传输，曼彻斯特码就不会有零电平，所以就能根据电平是否为零来判断是否有数据在传输。而前面四种编码方式不能判断在零电平情况下是在传输数据“0”还是无数据传输。

5. 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

1）奈氏准则

奈奎斯特(Nyquist)给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

2）信噪比

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限传输速率C为：
$$C=W\times lo{g}_2(1+\frac{S}{N})$$
W为信道的带宽，S为信道所传信号的平均功率，N为信道内部的噪声功率。这个公式表示，在这几个参数满足这个关系式时，能保证不出差错的传递信息。信噪比也就是S / N这个比值，这个公式也叫做香农公式。

举个例子：老师在安静的教室里以正常速度说话，学生们都听得清。但是如果教室嘈杂了（N变大），老师就需要放慢说话速度（C变小），或者是加大嗓门（W变大），学生才能都听的清。就是说，当某个参数有变化时，另外参数通过调整，都能达到传递完整信息的目的。

小思考：你知道为什么加速播放视频时，要调大声音才能听的清楚吗?（狗头.jpg）

3）香农公式结论

这个公式告诉我们几点

1. 信噪比越大，信息的极限传输速率越大。
2. 只要信道传输速率小于极限传输速率，就一定能找到一种办法来实现无差错传输。
3. 若带宽W或信噪比（S/N）无上限，则极限传输速率也没有上限。
4. 实际信道的传输速率比公式上的极限速率低不少。

补充：香农公式和奈氏准则的适用范围：

相比奈氏准则和香农公式，前者说的是无干扰的情况下，速率有上限。后者是有干扰的情况下，存在能进行无差错传输的速率。

6. 信道复用技术

复用分为以下几种：

1）频分复用

同时传输的过程中，分别使用不同的频率来传输。

例如三个电话同时占有一个线，人说话的频率都是0 ~ 4，发送器对这三个声波进行调制后，三个信号的频率分别为20 ~ 24、24 ~ 28、28 ~ 32。然后汇聚到信道上，汇聚成频率为20 ~ 32的总信号。然后这个总信号进入接收器后，被接收器按对应的解调方法还原成原声波。

2）时分复用

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。

A用户始终占第一位，B用户第二位，C用户最后。

当然，这样做会有些问题，比如他们通信不密集的情况下，就会造成资源浪费，如下图。

3）统计时分复用

由于普通时分复用效率较低，所以有了统计时分复用。

可以理解为，每个时段只发送有流量的线路的数据，这些数据都带有特定标识，接收方收到后能识别这个数据该给谁。

4）波分复用

其实就是光的频分复用。

5）码分复用

每个用户发配一个码片序列，比如用户A发配的是我是猪 -> 1，你是猪 -> 0，用户B发配的是苹果 -> 1，香蕉 -> 0。假设A和B同时发送了信号，汇聚后变成了我是猪 苹果 苹果 你是猪 香蕉 香蕉 你是猪 我是猪 ，接收器收到后就能清晰分辨出，A发送的是1010，B发送的是1100。

这么做的优点是：独特的码型造就了强悍的抗干扰能力。缺点是：传输的信号尺寸变大许多，原本发个“1”就行，这里要变成“我是猪”。