计算机网络 - 物理层

物理层

基本概念

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。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性

• 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
• 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
• 规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信基础概念

典型的数据通信模型

通信的目的是传送消息。
数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。 - 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头。
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，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

• 单工通信只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一一条信道。
• 半双工通信通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
• 全双工通信通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

传输方式

• 串行传输
  • 速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输
  • 速度快，费用高，适合近距离

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有 M 个时（M 大于 2），此时码元为 M 进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表 0 状态，另 - 一种代表 1 状态。在四进制码元中，一个码元就由 2 比特组成。

速率，波特，带宽

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表示。
传输速率是主机上发出的速率，而传播速率是在信道上的传播速率。两者是不同的概念

• 码元传输速率1s传输多少个码元：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1 波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
• 信息传输速率1s传输多少个比特：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）。

关系：若一个码元携带n bit的信息量，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。

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

4 进制表示码元有 4 种波形，只需要 2 位就可以表示 4 种波形，同理 16 进制需要 4 位表示。

奈氏准则

失真

影响失真程度的因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

码间串扰

频率太低，会容易受到传输距离，噪声的干扰，从而更容易失真，所以不允许通过
频率太高，不容易区分码元之间的区别

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W 是信道带宽，单位是Hz。(只有在奈氏准则和香农定理中的带宽采用Hz)

理想低通信道下的极限数据传输率 =$2Wlog_2V$(b/s)
W:带宽，V：码元的离散电平数目（几种码元）

1.在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
2.信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以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，但并没有对信息传输速率给出限制。
4.由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

练习：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？
答：信号有4 x 4=16种变化
最大数据传输率=2 x 3k x4=24kb/s

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率，常记为 S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：
$$dB = 10log_{10}(S/N)$$

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
信道的极限传输速率 = $Wlog_2(1+S/N)$(b/s)

1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2.对一定的传输带宽和一 - 定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5.从香农定理可以看出，若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

练习：电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？

答：30dB=10log1o（S/N）则S/N=1000
信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+S/N）=3000 x log2（1+1000）>30kb/s

当题目中既给出了码元信息，又给了信噪比信息，就需要用两个公式都算一下，取最小值

题目：二进制信号在信噪比为127：1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少？
答：
Nice：2 X 4000X log2=8000b/s
香浓：4000 log2（1+127）=28000b/s

编码与调制

基带信号与宽带信号

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，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信道上传输的信号

• 基带信号
  将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
• 宽带信号
  将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。
  把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

编码与调制

编码：数字数据-》数字信号（数字发送器）
调制：数字数据-》模拟信号（调制器）

编码：模拟数据-》数字信号（PCM 编码器）
调制：模拟数据-》模拟信号（放大器调制器）

数字数据-》数字信号

• 非归零编码（NRZ）（高1低0）
  编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一-个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。一个码元内电平不会跳变。
• 归零编码（RZ）
  信号电平在一一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
• 反向不归零编码（NRZI）
  信号电平翻转表示 0，信号电平不。变表示 1。一个码元内电平不会跳变。
• 曼彻斯特编码（前高后低1，前低后高为0）
  将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后 - 一个间隔为高电平表示码元 1；码元 0 则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每–个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
• 差分曼彻斯特编码（同1异0）
  常用于局域网传输，其规则是：若码元为 1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为 0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
• 4B/5B编码
  比特流中插入额外的比特以打破连串的 0 或 1，就是用 5 个比特来编码 4 个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为 4B/5B。编码效率为 80%。

数字数据-》模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

例：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少？
答：4个相位4种振幅也就是说有16个码元。16个码元也就是16个状态，需要4位来表示。也就是1码元对应4bit。题目中波特率是1200，也就说明1200*4=4800bit/s。

模拟数据-》数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是 PCM 编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD 以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。

• 抽样
  对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理采样：采样频率 >= 2*信号最高频率
• 量化
  把抽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，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
• 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-》模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

传输介质及分类

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。传输媒体并不是物理层。
传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为 0 层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

传输介质

• 导向性：电磁波被导向沿着固体媒介传播
• 非导向性：空气，海水等

双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50$\Omega$同轴 电缆和 75$\Omega$同轴电缆。其中，50$\Omega$同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75$\Omega$同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被厂泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵

光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0。而可见光的频率大约是 108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤主要由纤芯（实心的！）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

光纤特点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
• 抗雷电和电磁干扰性能好。
• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

无线电波

信号所有方向都能传播

较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。

微波

信号固定方向传播

微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高

优点：

• 通信容量大
• 距离远
• 覆盖广
• 广播通信和多址通信

缺点：

• 传播时延长（250-270ms）
• 受气候影响大（eg：强风太阳黑子爆发、日凌）X 信
• 误码率较高
• 成本高

红外线，激光

信号固定方向传播

要把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

物理层设备

中继器

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到–定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能(再生数字信号)：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
中继器两端：适用于完全相同的两类网络的互连，速率要相同，只做转发不做检测，可以连接不同设备，两端是同一个协议
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的范围内进行，否则会网络故障。
5个网段-4个中继器-3个设备

集线器（多口中继器）

功能：再生与放大信号
不能分割冲突域，连接在集线器上的工作主机平分带宽