计算机网络——物理层

1 通信基础

1.1 基本概念

数据，信号与码元

数据：传送信息的实体

信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式

连续变化的数据或信号称为模拟数据（模拟信号）；取指仅允许为有限的几个离散数值的数据或信号称为数字数据（数字信号）

数据传输方式：串行传输；并行传输

码元：一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，时长内的信号称为k进制码元，时长称为码元宽度；1码元可以携带若干比特的信息量

信源，信道和信箱

是数据通信系统的三部分

信源：产生和发生数据的源头

信宿：接收数据的终点

信道：信号的传输媒介，和电路并不同；按传输信号形式分为模拟信道和数字信道；按传输介质分为无线信道和有线信道

信道的信号分为：基带信号（直接把数字信号1和0用不同电压发送，即基带传输）和宽带信号（把基带信号调制形成模拟信号通过模拟信道发送，即宽带传输）

通信双方信息的交互方式看分为：

（1）单向通信

（2）半双工通信

（3）全双工通信

信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

速率，波特与带宽

（1）码元传输速率，又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特Baud。1波特表示每秒传输一个码元

（2）信息传输速率，又称信息速率，比特率，表示单位时间内传输的二进制码元个数（比特数），单位比特/秒，b/s

1.2 奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特定理

码元串扰：信号中的许多高频分量往往不能通过信道，在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波失去码元之间的清晰界限

该定理又称为奈氏准则：规定在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽

V表示每个码元离散电平的数目

理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog₂V（单位b/s）

结论：（1）在任何信道中，码元传输速率是有上限的

（2）信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输

（3）奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制

因此要提高数据传输速率，就必须提高每个码元携带的比特数量，此时需要采用多元制的调制方法

香农定理

定理给出了宽带受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差

信道的极限数据传输速率=W*log₂(1+S/N)

W为信道的带宽，S为信道传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率

S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10*log₁₀(S/N)

结论：

（1）带宽或信噪比越大，速率越高

（2）带宽和信噪比一定，速率的上限是确定的

（3）传输速率低于极限信息传输速率，就能找到某种方式来实现无差错传输

（4）香农定理得出的是极限速率，实际速率要低不少

这也表明，一个码元对应的二进制位是有限的

1.3 编码与调制

调制：把数据变换为模拟信号的过程

编码：把数据变换为数字信号的过程

数字数据编码为数字信号

（1）归零编码RZ：高电平代表1，低电平代表0，每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），提供了自同步机制，但归零需要占用一部分宽带

（2）非归零编码NRZ：区别是不用归零，但无法传递时钟信号，双方难以同步，因此需要时钟线

（3）反向非归零编码NRZI：区别是信号翻转代表0，保持不变代表1，这既能同步，又能尽量不损失带宽

（4）曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0正好相反；位中间的跳变既作为时钟信号用于同步，又作为数据信号，但所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍

以太网使用的就是曼彻斯特编码

（5）差分曼彻斯特编码：常用于局域网传输，规则是若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元相同，若为0则相反，实现了自同步且抗干扰性较好

（6）4B/5B编码：数据流每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码，5位码共32种组合，但只采用其中的16种，其他16种作为控制码

数字数据调制为模拟信号

把数字信号调制为模拟信号

（1）幅移键控ASK：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变，容易实现，抗干扰能力差

（2）频移键控FSK：通过改变载波信号的频率来表示信号1和0，振幅和相位不改变，实现容易，抗干扰能力强

（3）相移键控PSK：改变相位，振幅和频率不变，又分为绝对调相和相对调相

（4）正交振幅调制QAM：频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号，设波特率为B，m个相位，每个相位n种振幅，则QAM技术的传输速率R=B*log₂(mn)

下图的相移键控是绝对调相方式

模拟数据编码为数字信号

典型的例子是对音频信号进行编码的脉码调制PCM，包括采样，量化和编码

采样定理（奈奎斯特定理）：通信领域带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz；因此将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f_采样$\geqslant$2f，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息

（1）采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号

（2）量化：把采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，连续的电平幅值转换为了离散的数字量

采样和量化实质是分割和转换

（3）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

可以使用频分复用FDM技术，充分利用带宽资源，电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的

1.4 电路交换，报文交换与分组交换

电路交换

数据传输前，两个结点之间必须建立一条专用的物理通信路径（由双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该路径可能经过许多中间结点。分为三个阶段：连接建立，数据传输，连接释放

优点：通信时延小；有序传输；没有冲突；适用范围广；实时性强；控制简单

缺点：建立连接时间长；线路独占；灵活性差；难以规格化

报文交换

数据交换的单位是报文；报文携带有目标地址，源地址等信息；报文交换在交换结点采用存储转发的传输方式

优点：无须建立连接；动态分配线路；提高线路可靠性；提高线路利用率；提供多目标服务

缺点：需要经历存储转发的过程，引起转发时延；对报文大小没有限制，要求网络结点需要较大的缓存空间

分组交换

也采用存储转发方式，但解决了大报文传输问题，限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，加上一些必要的控制信息构成分组

优点：无建立时延；线路利用率高；简化了存储管理（相对报文交换）；加速传输；减少了出错概率和重发数据量

缺点：存在存储转发时延；需要传输额外的信息量；当分组交换采用数据报服务时，可能会失序，丢失或重复分组；若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立，数据传输，虚电路释放三个过程

1.5 数据报和虚电路

分组交换的两种方式：面向连接的虚电路方式；无连接的数据报方式

都由网络层提供

数据报

端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层的PDU）

分组在某一链路上传送时，分组并不占用网络的其他部分资源

数据报服务特点：

（1）不需要建立连接

（2）网络最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失

（3）发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输

（4）分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，会有一定的时延

（5）网络具有冗余路径，某个结点或链路故障，会相应的更新转发表，寻找另一条路径转发分组

（6）存储转发时延一般较小，提高了网络的吞吐量

（7）收发双方不独占某条链路，资源利用率较高

虚电路

分组发送前，在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径，与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立，数据传输与虚电路释放

端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路

虚电路网络中的每个结点维持一张虚电路表，表项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号，前一结点和下一结点的标识

特点：

（1）虚电路的建立拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组就分浪费，但是长时间频繁的数据效率较高

（2）虚电路的路由选择在连接建立阶段，建立后确定了传输路径

（3）虚电路提供了可靠的通信功能，保证每个分组正确且有序达到

（4）某个结点或链路失效，经过该结点或链路的虚电路全部破坏

（5）分组首部不包含目标地址，包含虚电路标识符，开销小

2 传输介质

传输介质也称传输媒体，是设备之间的物理通路；传输介质可分为：

导向传输介质：被导向沿着固体媒介

非导向传输介质：可以是空气，真空，海水等

双绞线

两根并排绞合，相互绝缘的铜导线组成；屏蔽双绞线STP，非屏蔽双绞线UTP

价格便宜，局域网和传统电话网普遍使用；带宽取决于铜线的粗细和传输距离

通信距离一般为几千米到及时千米

模拟传输：用放大器放大衰减的信号

数字传输：用中继器将失真的信号整形

同轴电缆

50$\Omega$同轴电缆（基带同轴电缆）：用于传送基带数字信号，局域网广泛使用

75$\Omega$同轴电缆（宽带同轴电缆）：传送宽带信号，主要用于有线电视系统

良好的抗干扰特性，用于传输较高速率的数据，传输距离更远，价格更贵

光纤

利用光导纤维传递光脉冲进行通信，带宽范围极大

主要由纤芯和包层构成，包层的折射率较低，光从高折射率的介质射向低折射率的介质时，折射角大于入射角，因此光不断折射传递

利用光的全反射特性，可以从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤，其光源为发光二极管，但光脉冲会传输时逐渐展宽，造成失真，因此只适合传输

光纤直径减小到只有一个光的波长，可使得光一直向前传播，不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤，其纤芯很细，成本高，光源是半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至及时千米不必采用中继器，适合远距离传输

特点：

（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

（2）抗雷电和电磁干扰性能好

（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据

（4）体积小，重量轻

无线传输介质

（1）无线电波

较强的穿透能力，传输距离长，广泛应用于通信领域，如无线手机，计算机网络中的无线局域网WLAN，没有方向要求

（2）微波，红外线和激光

这三种主要是高带宽的无线通信；都需要发送方和接收方之间存在一条视线通路，有很强的方向性，都沿直线传播，也统称为视线介质

但红外线和激光需要把信号分别转换为各自的信号格式，即红外信号和激光信号

微波通信：频率高，频段范围宽，信道容量大，直线传播在地面的传播距离有限，超过需要中继站接力

卫星通信：利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，克服地面微波通信距离的限制，通信容量大，距离远，覆盖广，但是保密性差，端到端传播时延长

物理层接口的特性

机械特性：接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置

电气特性：各条线的电压的范围

功能特性：指明某一电平的电压表示何种意义

过程特性：指明不同功能的各种可能事件的出现顺序

常见标准：EIA RS-232-C ，ADSL和SONET/SDH等