【《深入浅出计算机网络》学习笔记】第2章 物理层

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目录

2.1 物理层概述

2.1.1 物理层要实现的功能

2.1.2 物理层接口特性

2.1.2.1 机械特性

2.1.2.2 电气特性

2.1.2.3 功能特性

2.1.2.4 过程特性

2.2 物理层下面的传输媒体

2.2.1 导向型传输媒体

2.2.1.1 同轴电缆

2.2.1.2 双绞线

2.2.1.3 光纤

2.2.2 非导向型传输媒体

2.2.2.1 无线电波

2.2.2.2 微波

2.2.2.2.1 地面微波接力通信

2.2.2.2.2 卫星通信

2.2.2.2.3 红外线

2.2.2.2.4 激光

2.2.2.2.5 可见光

2.3 传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

2.3.2 同步传输和异步传输

2.3.3 单向通信、双向交替通信和双向同时通信

2.4 编码与调制

2.4.1 编码和调制的基本概念

2.4.1.1 消息、数据和信号

2.4.1.2 基带信号

2.4.1.3 调制和编码

2.4.1.4 码元

2.4.2 常用编码方式

2.4.2.1 不归零制

2.4.2.2 归零制

2.4.2.3 曼彻斯特编码

2.4.2.4 差分曼彻斯特编码

2.4.3 基本的带通调制方法和混合调制方法

2.4.3.1 基本的带通调制方法

2.4.3.2 混合调制方法

2.5 信道的极限容量

2.5.1 奈氏准则

2.5.2 香农公式

2.6 信道复用技术

2.6.1 频分复用

2.6.2 时分复用

2.6.3 波分复用

2.6.4 码分复用

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2.1 物理层概述

2.1.1 物理层要实现的功能

当今的计算机网络，可使用的传输媒体和相应的硬件设备种类众多，可采取的通信手段也有多种不同方式。常见的传输媒体有双绞线、同轴电缆、光缆以及各种波段的无线信道等。物理层要实现的功能是在各种传输媒体上传输比特0和1，进而给其上面的数据链路层提供透明传输比特流的服务，如图所示。

2.1.2 物理层接口特性

为了实现物理层的功能，物理层定义了与传输媒体的接口有关的一些特性。按相同接口标准生产的不同厂家的网络设备接口可以相互连接和通信。

2.1.2.1 机械特性

2.1.2.2 电气特性

2.1.2.3 功能特性

2.1.2.4 过程特性

2.2 物理层下面的传输媒体

2.2.1 导向型传输媒体

2.2.1.1 同轴电缆

2.2.1.2 双绞线

2.2.1.3 光纤

色散（模式色散、材料色散以及波导色散）对光纤通信的影响如下：

• 光在多模光纤中传输时，会出现脉冲展宽，造成信号失真，如图所示。因此，多模光纤一般只适合于建筑物内的近距离传输。
• 光在单模光纤中传输时，没有模式色散，在1.3μm波长附近，材料色散和波导色散大小相等且符号相反，两者正好抵消，不会出现脉冲展宽，如图所示。因此，单模光纤适合长距离传输并且衰减更小，在100Gb/s的高速率下，可以传输100km而不必采用中继器。但单模光纤的制造成本以及对光源的要求比多模光纤高。单模光纤的光源需要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。

由于光纤非常细（其包层直径不超过125μm），因此在实际应用中，必须将光纤做成非常结实的光缆。一根光缆可以只包含一根光纤，也可以包含数十乃至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，就可以大大提高光缆的机械强度，有的光缆还包含远供电源线，最后加上包带层和外护套，就可使光缆的抗拉强度达到几千克，完全可以满足工程施工的强度要求。

2.2.2 非导向型传输媒体

使用导向型传输媒体进行通信前，必须进行通信线路的铺设。当通信线路要通过一些难以施工的高山或岛屿，并且通信距离很远时，铺设通信线路既费时又昂贵。利用无线电波在自由空间的传播，可以快速、方便和灵活地实现多种无线通信。自由空间就是无线通信所使用的非导向型传输媒体。

在当今这个信息时代，人们不仅可以在运动中使用智能手机进行电话通信，还可以在运动中通过智能手机或笔记本电脑进行计算机数据通信（俗称上网）。利用自由空间进行无线通信是在运动中进行通信的唯一手段。

无线通信可使用的频段很广。在下图给出的电磁波的频谱中，人们现在已经利用了好几个波段进行通信。紫外线、X射线以及γ射线波段目前还不能用于通信，因为这些波很难产生和调制、穿透障碍物能力很弱并且对生物有害。频率非常低的波段（30KHz以下）一般也不用于通信。

2.2.2.1 无线电波

无线电波（LF、MF、HF和VHF频段）很容易产生，并且传播距离很远。因此，无线电波被广泛用于通信领域。

• 低频无线电波能够很容易地穿透障碍物，但其能量随着与信号源距离的增大而急剧减小。
• 高频无线电波趋于直线传播并会受到障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。

在LF和MF波段，无线电波主要以地面波的形式沿着地面传播，如图2所示。在HF和VHF波段，地面波会被地表吸收，无线电波主要依靠电离层的反射再回到地球表面，如图所示。电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，会严重影响通信质量。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，速率为一个标准模拟话路传输几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，传输速率才能达到几千比特/秒。

2.2.2.2 微波

微波的频率范围是300MHz~300GHz（波长1m~1mm），目前主要使用2~40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它下像HF和VHF波段的无线电波那样，可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。传统的散波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。

2.2.2.2.1 地面微波接力通信

由于微波在空间主要是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离往往受到限制，一般只有50km左右。如果采用100m高的天线塔，则传播距离可以扩大到100km。为了利用微波实现远距离通信，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放大后再转发到下一站，因此称为“接力”，如图所示。大多数长途电话业务使用4~6GHz的频率范围。

地面微波接力通信的主要优点如下：

• 微波波段的频率很高，其频率范围也很宽，因此其信道容量很大。
• 因为工业干扰和天电干扰的主要频率成分比微波频率低很多，对微波通信的干扰较小，因此微波传输质量较高。
• 与相同通信距离和容量的有线通信比较，地面微波接力通信建设成本低、见效快，易于跨越山区和江河。

地面微波接力通信也存在如下一些缺点：

• 相邻站之间必须直视（视距，Line Of Sight，LOS），不能有障碍物。
• 一个天线发射出的信号，可能会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
• 微波传输有时会受到恶劣气候的影响。
• 与有线通信比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
• 维护大量中继站需要耗费较多的人力和物力。

2.2.2.2.2 卫星通信

卫星通信目前主要用于长途电话、电视转播以及导航等，未来很可能成为空天互联网（卫星互联网）的主要通信方式。要在地球上相距很远的地球微波站之间进行通信，可以利用人造地球卫星作为中转站。

常用的卫星通信方法是在地球站之间，利用位于约36000km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。同步地球卫星发射出的电磁波，能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度可达18000km，面积约占全球的三分之一。因此，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗互成120°的人造通信卫星，就能基本实现全球的通信，如图所示。

利用同步地球卫星进行通信的主要特点是通信距离远，并且通信费用与通信距离无关，但这种通信方式的传播时延比较大。不管两个地球站之间的地面距离是多少（几百米或上万千米），从一个地球站经同步地球卫星到达另一个地球站的传播时延约为250~300ms，一般取270ms。

除了上述的人造同步地球卫星，还可利用中、低轨道人造卫星建立通信系统。中、低轨道人造卫星相对于地球不是静止的，而是不停地围绕地球旋转。目前，大容量、高功率、低轨道宽带人造卫星已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。由于低轨道卫星离地球很近，因此可将地面用户通信设备做得比较小，可以轻便手持进行通信。

在十分偏远的地方或在离大陆很远的海洋中，要进行通信就几乎完全要依赖于卫星通信。卫星通信还非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性相对较差。另外，通信卫星自身以及发射卫星的火箭造价都较高。受电源和元器件寿命的限制，同步地球卫星的使用寿命一般为10~15年。卫星地球站的技术较复杂，价格还比较贵，这就使得卫星通信的费用较高。

2.2.2.2.3 红外线

2.2.2.2.4 激光

激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好以及相干性强等特征。按传输媒体的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是利用大气作为传输媒体的激光通信，而光纤通信就是之前已经介绍过的利用光纤传输光信号的通信方式。

大气激光通信的优点有：

• 通信容量大。激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话。
• 保密性强。激光不仅方向性强，而且可采用不可见光，因而不易被敌方所截获，保密性能好。
• 结构轻便，设备经济。由于激光束发散角小，方向性好，激光通信所需的发射天线和接收天线都可以做得很小，一般天线直径为几十厘米，重量不超过几千克，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。

大气激光通信也有如下一些缺点：

• 通信距离限于视距（数千米至数十千米）。
• 易受气候影响。在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。
• 瞄准困难。激光束有极高的方向性，这给发射和接收点之间的瞄准带来了不少困难。为了保证发射和接收点之间瞄准，不仅对设备的稳定性和精度提出了很高的要求，而且操作也很复杂。

2.2.2.2.5 可见光

可见光通信是利用可见光来实现无线通信，主要依靠发光二极管发出的、肉眼看不到的、高速明暗闪烁信号来传输信息。可见光通信能够同时实现照明与通信的功能，具有传输速率高、保密性强、无电磁干扰以及无须频谱认证等优点，是理想的室内高速无线接入方案之一。

目前，可见光通信在全球已成为了研究的热点。2015年12月，经中国工信部测试认证，中国“可见光通信系统关键技术研究”又获得重大突破，实时通信速率提高至50Gbps，再次展现了中国在可见光通信领域的先发实力。

2.3 传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

对于串行传输和并行传输，若比特在单条数据传输线路上的数据传输速率相同，则并行传输的数据传输速率，是串行传输的数据传输速率的n倍。倍数n取决于并行传输所采用的数据传输线路的数量，也称为数据总线宽度，常用的有8位、16位、32位以及64位。

并行传输的成本高，通常仅用于短距离传输，例如计算机内部的数据传输，而远距离传输一般采用串行传输方式。

2.3.2 同步传输和异步传输

同步传输方式以比特为传输单位，数据块以比特流的形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和终止位。这就要求收发双方，对表示比特的信号的时间长度达成一致，即所谓的同步。然而，在不采取任何其他措施的情况下，收发双方的时钟频率无法达到严格同步。在数据传输的过程中，必然会产生接收方对信号采样时刻的误差积累。当传输大量数据时，误差积累就会越来越严重，最终会导致接收方对比特信号的误判，如图所示。

异步传输方式以字节为传输单位，但字节之间的时间间隔并不固定，接收端只在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，一般要给每个字节添加起始位和结束位。

2.3.3 单向通信、双向交替通信和双向同时通信

2.4 编码与调制

计算机直接输出的数字信号往往并不适合在信道上传输，需要将其编码或调制成适合在信道上传输的信号。

2.4.1 编码和调制的基本概念

2.4.1.1 消息、数据和信号

在计算机网络中，需要由计算机处理和传输的文字、图片、音频和视频等内容，可以统称为消息（message）。

消息输入计算机后，就成为了有意义的符号序列，即数据（data）。可以将数据看作运送消息的实体。我们人类比较熟悉的是十进制数据，而计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1。

计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的信号（signal）发送到传输媒体。因此，可将信号看作数据的电磁表现。

2.4.1.2 基带信号

由信源发出的原始信号称为基带信号，也就是基本频带信号。例如，由计算机输出的表示各种文字、图像、音频或视频文件的数字信号都属于基带信号。基带信号往往包含较多的低频成分，甚至包含（由连续个“0”或连续个“1”造成的）直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此，需要对基带信号进行调制（modulation）后才能在信道上传输。

2.4.1.3 调制和编码

调制可分为基带调制和带通调制。

• 基带调制：对数字基带信号的波形进行变换，使其能够与信道特性相适应，调制后的信号仍然是数字基带信号。由于基带调制是把数字信号转换成另一种形式的数字信号，因此基带调制也称为编码（coding） 。
• 带通调制：将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，使其能够在模拟信道中传输。

2.4.1.4 码元

信号的编码单元称为码元。

• 对于模拟信号，载波参数（振幅、频率、初相位）的变化就是一个码元。
• 对于数字信号，一个数字脉冲就是一个码元。

也就是说，在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元，如图所示。一个码元所能携带的信息量（即构成离散数值的比特数量）不是固定的，而是取决于编码方式和调制方式。

2.4.2 常用编码方式

2.4.2.1 不归零制

不归零制是指信号在每个码元期间不会回归到零电平。如图所示，是双极性不归零编码，整个码元期间信号为正电平表示1，整个码元期间信号为负电平表示0。

2.4.2.2 归零制

归零制是指信号在每个码元期间会回归到零电平。如图所示，是一种双极性归零编码，正电平表示1，负电平表示0，在每个码元的中间时刻信号都会回归到零电平。

2.4.2.3 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码在每个码元的中间时刻电平都会发生跳变。曼彻斯特编码信号属于自同步信号，10Mb/s的传统以太网采用的就是曼彻斯特编码。

2.4.2.4 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码在每个码元的中间时刻电平都会发生跳变。

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2.4.3 基本的带通调制方法和混合调制方法

2.4.3.1 基本的带通调制方法

2.4.3.2 混合调制方法

为了提高数据传输速率，可以使用技术上更为复杂的混合调制方法，使1个码元可以表示多个比特的信息量。

每个码元与4个比特的对应关系不可以随便定义。举个例子，下图是随便定义的每个码元与4个比特的对应关系。

假设A、B、C、D、E是接收端收到的5个码元，这5个码元原本都是表示4个比特0的，由于传输过程中产生失真，导致接收方收到它们的波形并不理想，也就是在星座图中，并未落在表示4个比特0的那个码元的理想位置。

这说明，每个码元与4个比特的对应关系不可以随便定义。每个码元与4个比特的对应关系应该采用格雷码，也就是任意两个相邻码元只有一个比特不同。

2.5 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时不可避免地会产生失真。如果信号失真不严重，则接收端可以从失真的信号波形中识别出原来的信号，如图所示。如果信号失真比较严重，则接收端无法从严重失真的信号波形中识别出每个码元，如图所示。

2.5.1 奈氏准则

每种信道所能通过信号的频率范围总是有限的。例如，电话线允许通过的模拟信号的频率范围是300~3400Hz，低于300Hz或高于3400Hz的模拟信号均不能通过，即电话线的频率带宽为3.1KHz （3400Hz-300Hz=3100Hz）。

早在1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出了著名的奈氏准则。

2.5.2 香农公式

1948年，香农（Shannon）根据信息论的理论，推导出了频率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，即著名的香农公式。

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2.6 信道复用技术

2.6.1 频分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）是将传输媒体的总频带划分成多个子频带，每个子频带作为一个通信子信道。每对用户使用其中的一个子信道进行通信，如图所示。很显然，频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源发送数据。

2.6.2 时分复用

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）是将时间划分为一段段等长的时隙，每一个时分复用的用户，在其相应时隙内独占传输媒体的资源进行通信。

时分复用的各用户所对应的时隙，就构成了时分复用帧（TDM帧）。每个时分复用的用户，在每个TDM帧中占用固定顺序的时隙。因此，在使用时分复用技术进行通信的过程中，每个时分复用的用户所占用的时隙，是周期性出现的，其周期就是TDM帧的长度。下图给出了TDM帧的示意图，为了简单起见，仅画出了A、B和C这三个用户。

注意，TDM帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层对等实体间逻辑通信的“帧”，是完全不同的概念。

时分复用的所有用户，在不同的时间占用同样的信道资源发送数据。在使用时分复用技术传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性，一般每个用户对所分配到的TDM帧中的时隙的利用率并不高。例如，某个用户正在录入一段文本或浏览一段信息，在这段时间内，该用户并无数据要发送，这就会导致该用户所分配到的若干个时隙的信道资源使用权被白白浪费掉了，即使这段时间其他用户有数据要发送，也无法在这些时隙使用信道资源。这就会导致时分复用后的信道利用率不高。

统计时分复用（Statistic TDM，STDM）是对时分复用的改进，它能明显地提高信道利用率。统计时分复用的各用户，只要有数据就随时发送给集中器，集中器对输入数据按顺序进行缓存，然后依次扫描这些缓存，把缓存中的数据放入STDM帧中。遇到没有数据的缓存就跳过去。如果一个STDM帧的数据放满了，就发送出去。因此，STDM帧与TDM帧不同，它并不固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。也就是说，STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户。因此，在每个时隙中还必须包含用户的地址信息，这是实现统计时分复用的必要开销。统计时分复用所使用的集中器也称为智能复用器，它可以对数据包进行存储转发，通过排队方式使各用户更合理地共享信道。例如交换机的干道链路就使用了统计时分复用技术。

2.6.3 波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）就是光的频分复用。

波分复用的具体实现技术非常复杂，但其中的基本物理原理还是比较简单的。三棱镜可根据入射角和波长将几束光合成一道光，也可将合成光分离成多束光。根据三棱镜的原理，可以实现光复用器（又称为合波器）和光分用器（又称为分波器）。波分复用的基本原理如图所示。

2.6.4 码分复用

举例说明CDMA的基本工作原理。

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