《计算机网络》吴功宜：第二章：物理层
2.1 物理层与物理层协议的基本概念
2.1.1 物理层的基本服务功能
物理层（第1层）并不是指计算机通信设备和传输介质，而是有关物理设备通过物理传输介质进行互联的描述和规定。
作用：提供建立、维持和释放物理连接，实现两个或多个数据链路（第2层）实体间各种数据比特流的透明传输。
特点：尽可能屏蔽掉各种物理传输介质和通信手段差异。
物理层的功能有以下三个：
（1）物理连接的建立、维持和释放
- 两个数据链路实体请求建立连接时，物理层应能立即为它们建立相应物理连接。
- 通信时维持连接，通信结束释放连接。
（2）物理服务数据单元的传输
- 物理层使用的数据单元称为物理服务数据单元。
- 在物理层可采用串行传输或并行传输，保证传输的顺序。
- 传输可以是同步的或异步的。
（3）物理层管理
- 完成某些管理事务，如发送和接收的控制、异常情况处理、故障报告等。
物理层的特性：
物理层是建立在通信传输介质基础之上的，实现系统与传输介质的物理连接接口，提供传送“1”、“0”的物理条件。
连接是指数据终端设备**DTE(Data Terminal Equipment)和数据通信设备DCE(Data Circuit-terminating Equipment)**之间的连接。
- DTE：数据终端、计算机或I/O设备，具有数据发送、接收和处理功能。
- DCE：调制解调器、信号变换器、自动呼叫应答器或线路适配器等，具有信号变换功能，负责建立、维护和释放物理连接。
在物理层通信过程中，DCE一方面将DTE传送的数据流逐比特发往传输介质，另一方面也将从传输介质接收的比特流顺序地传送给DTE。
在DTE和DCE之间所传送的，既有数据，也有控制信息，需要它们之间高度协调的工作，因而需要制定DTE与DCE接口标准，即物理接口标准。
- 机械特性
- 电气特性
- 功能特性
- 规程特性
（1）机械特性
定义计算机和通信设备之间物理连接接插件的规格和型号。
形状、尺寸、引线数目、排列方式、固定和锁定装置等。
例如：RS-232就是一种串行物理接口标准。
（2）电气特性
定义双方连接所使用的电信号的性质和对应的逻辑关系。
信号源输出阻抗、负载输入阻抗、信号编码方式、信号电压的变化范围、传输速率和传输距离。
例如：RS-232的电气特性。
（3）功能特性
定义接插件引脚的名称、用途及信号的表示方法。
• 例：RS-232功能特性
（4）规程特性
定义双方从开始传输的连接、传输过程的控制到终止连接期间各种控制过程的描述。
• 例如：RS-232的通信规程。
理解物理层的服务功能，需要注意以下问题：
(1)物理层与数据链路层的关系
- 物理层处于OSI参考模型的最低层，它向数据链路层提供比特流传输服务。
- 发送端的数据链路层通过与物理层的接口，将待发送的帧传送到物理层。
- 物理层不关心帧的结构，它将构成帧的数据只看成是待发送的比特流。
- 物理层的主要任务是：保证比特流通过传输介质的正确、传输，为数据链路层提供数据传输服务。
(2)传输介质与信号编码的关系
连接物理层的传输介质可以有不同类型。 • 例如：电话线、同轴电缆、双绞线、光纤、无线。
不同类型的传输介质对于被传输的信号要求也不同。 • 例如：电话线路只能用于传输模拟语音信号，不能直接传输计算机产生的二进制数字信号。如果传输数字信号，那么需要模数转换。
物理层的一个重要功能是：根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议，规定数据信号编码方式、传输速率，以及相关的通信参数。
(3)设置物理层的目的
设物理层的目的是：屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现的。
需要针对不同类型的传输介质与通信技术的特点，制定与之相适应的物理层协议。
2.1.2 物理层协议的类型
计算机网络使用的通信线路分为两类：
① 点-点通信线路：用于连接两个通信的主机
基于点‐点通信线路的物理层协议：例如：EIA-RS-232-C标准
② 广播通信线路：连接多个主机
基于广播通信线路的物理层协议例如：Ethernet协议——有线、WiFi协议——无线
2.1.3 物理层向数据链路层提供的服务
点-点通信线路的物理层比特流传输过程
- 两个相邻通信主机的物理层通信。
- 由主机A网络层启动路由选择算法来决定下一个主机是谁。
2.2 数据通信的基本概念
2.2.1 信息、数据与信号
1.基本概念
信息（Information）
- 组建计算机网络的目的是实现信息（资源）共享。
- 信息的载体可以是文字、语音、图形、图像或视频。传统的信息主要是指文本或数字类信息。
- 逐步发展到多媒体（multimedia）信息。
数据（Data）
- 计算机为了存储、处理和传输信息，要将信息用二进制数据表示。计算机存储与处理的是二进制代码。
信号（Signal）
- 在通信系统中，二进制代码0、1比特序列变换成用不同的电平或频率变化的信号之后，通过传输介质进行传输。
2.信息与编码
目前，应用最广泛的是美国信息交换标准编码 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码。
ASCII码是基于拉丁字母的一套计算机编码系统，主要用于显示现代英语。
其扩展版本EASCII则可以部分支持其他西欧语言，并等同于国际标准ISO/IEC 646。
3.信息、数据与信号的关系
发送端计算机传输“NETWORK”信息给接收端计算机。
2.2.2 数据通信方式
将发送数据的一方称为信源、源主机、发送端或发送主机。
将接收数据的一方称为信宿、目的主机、接收端或接收主机。
主机A与主机B的通信，可以看成是多段点-点通信。
1.数据传输类型
在传输介质上传输的信号类型有两种：模拟信号与数字信号。
- 电平幅度连续变化的电信号称为模拟信号(Analog Signal)。
- 用两种不同的电平表示0、1比特序列电压跳变的脉冲电信号称为数字信号(Digital Signal)。
数据通信是以数字信号方式还是以模拟信号方式表示，取决于通信线路所允许传输的信号类型。
如果通信信道不允许直接传输计算机所产生的数字信号，那么就需要在发送端将数字信号变换成模拟信号，在接收端再将模拟信号还原成数字信号，这个过程称为调制/解调。
如果通信线路允许直接传输计算机所产生的数字信号，为了很好地解决收发双方的同步与具体实现中的技术问题，也需要将数字信号进行波形变换。
例如：以太网采用曼彻斯特编码
2.数据通信方式
(1) 串行通信与并行通信
按照数据通信使用的信道数，它可以分为两种类型：串行通信、并行通信。
在同样传输速率下，并行通信单位时间内所传送码元数是串行通信的n倍(在这个例子中n=8)。
由于需要建立多个通信信道，并行通信方式造价较高。因此，在远程通信中一般采用串行通信方式。
(2) 单工、半双工与全双工
按照信号传送方向与时间的关系，数据通信可分为三种：单工通信、半双工通信、全双工通信。
- 单工通信：信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。
- 半双工通信：信号可以双向传送，但是必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送。
- 全双工通信：信号可以同时双向传送。
3.同步技术
同步是要求通信双方在时间基准上保持一致的过程。
数据传输的同步方式分3种：
- 位同步——比特同步
- 字符同步
- 数据单元同步——帧同步
物理层因为传输非结构的数据流，一般只存在位同步或字符同步。
（1）位同步
要求接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻，这个过程就称为位同步。
实现位同步的方法主要有以下两种：
外同步法：发送端发送数据的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。
如：硬件时钟、北斗、国家授时中心
内同步法：从自含时钟编码的发送信号中提取同步时钟。
例如：曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码
（2）字符同步
字符同步是接收端正确识别字符的必要同步，就是在一串比特流中把每个字符识别出来。
实现字符同步的方法主要有以下两种：
- 同步传输
- 异步传输
同步传输：
同步传输（synchronous transmission）将字符组织成组，以组为单位连续传送。每组之前加一个或多个同步字符SYN。
接收端收到SYN后，根据SYN来确定数据字符的起始与终止。
SYN的ASCII码：0001 0110 (16H)
异步传输：
发送端可以在任何时刻发送字符，发送间隔任意。
将字符看做一个独立传送单元，在每个字符的前后各加入1位（或者2到3位）信息作为字符开始和结束的标志位，以便接收端实现同步接收。
2.2.3 传输介质的主要类型与特性
传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中**实际传送信息的载体。
网络中常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤无线、卫星通信信道
1. 双绞线
局域网中所使用的双绞线分为两类：
- 屏蔽双绞线
- 非屏蔽双绞线
2. 同轴电缆
早期以太网是在同轴电缆基础上发展起来的。
用途：基带同轴电缆、宽带同轴电缆
阻抗：50Ω、75Ω
直径：细同轴电缆、粗同轴电缆
3. 光纤
光纤是传输介质中性能与应用前景最好的一种。
截止至2020年我国光纤用户渗透率已达93％，规模全球第一。
4. 无线
按照频率由低向高排列，不同频率的电磁波可以分为无线、微波、红外、可见光、紫外线、X射线与γ射线。
目前，用于通信的主要有无线、微波、红外与可见光。
4. 无线
工业、科学与医药专用频段ISM：915MHz频段、2.4GHz频段、5.8GHz频段等。
要求：发送功率小于规定值。例如：在2.4GHz频段输出功率小于1W。
信号强度是指信号功率。信号功率单位是瓦(W)或毫瓦(mW)。 在无线局域网IEEE 802.11协议讨论与实际组网中，通常使用的是信号功率的相对值，即dBm。
蜂窝移动通信已经发展到了4G，目前正在向5G迈进。
5. 卫星通信信道
卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、费用与通信距离无关、可进行多址通信与移动通信的优点，因此卫星通信在近年来得到迅速发展，成为现代主要的通信手段之一。
2.3 基带传输技术
2.3.1 基带传输的定义
- 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号。
- 人们将矩形脉冲信号称为基带信号。在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。
- 在发送端，计算机的二进制的比特序列经过编码器变换为曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号。
- 在接收端，由解码器还原成与发送端相同的二进制的比特序列。
2.3.2 基带数据编码方法
1. 非归零码（Non Return to Zero, NRZ）编码
低电平表示数字0，用高电平表示数字1
2. 曼彻斯特（Manchester）编码
优点：“自含钟编码”信号，无须另发同步信号，每比特的中间跳变仅做同步使用。
缺点：效率较低。如果信号传输速率是100Mbps，则发送时钟信号频率应为200MHz。
- 每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分。
- 前T/2传送该比特的原码，后T/2传送该比特反码，或者，前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特原码。
3. 曼彻斯特（Manchester)编码的不同定义：
前T/2传送原码，后T/2传送反码。如：G.E. Thomas方式
前T/2传送反码，后T/2传送原码。如：IEEE 802.3方式
• IEEE 802.3编码规则：数据与时钟进行“异或”运算。
4. 差分曼彻斯特（Difference Manchester）编码
① 每比特的中间跳变仅做同步使用。
② 每比特的值根据其开始边界是否跳变来决定。
③ 每比特开始处发生电平跳变表示传输二进制0，不发生跳变表示传输二进制1。
2.3.3 比特率的定义
数据传输速率在数值上等于每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒，记为bit/s或bps。
对于二进制数据，数据传输速率为：S = 1 / T (bps)
在实际应用中，常用的数据传输速率单位有：
1 Kbps = 1 ×103bps
1 Mbps = 1 ×106bps
1 Gbps = 1 ×109bps
1 Tbps = 1 × 1012bps
2.4 频带传输技术
2.4.1 频带传输的基本概念
频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。
将发送端基带（数字）信号变换成模拟信号的过程称为调制(modulation)，实现调制功能的设备为调制器(modulator)。
将接收端模拟信号还原成基带（数字）信号的过程称为解调(demodulation)，实现解调功能的设备为解调器(demodulator)。
同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器(modem)。
2.4.2 模拟数据信号编码方法
2.4.3 波特率的定义
1. 波特率定义
从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/S，称为波特（baud）。调制速率也称为波特率。
波特率描述的是码元传输的速率。
2. 比特率定义
数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps，因此也可以称为比特率。
本章小结
- 设置物理层的目的是：屏蔽物理传输介质、设备与技术的差异性。
- 物理层的基本服务功能是实现主机之间比特序列的传输。
- 点-点连接的两个实体之间的通信方式分为：全双工通信、半双工通信与单工通信；串行传输与并行传输；同步传输与异步传输。
- 在传输介质上传输的信号类型分为：模拟信号与数字信号。
- 网络中常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线与卫星通信信道。
- 数据传输速率等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为bps。