32物理层

2.1 通信基础知识

数据：

• 即信息的实体（如：文字、声音、图像），在计算机内部数据通常是二进制

信号：数据的载体，在信道上传输

• 数字信号：信号值是离散的
• 模拟信号：信号值是连续的

信源：信号的来源，即数据的发送方

信宿：信号的"归宿"，即数据接收方

信道：信号的通道

• 一条物理线路通常包含两条信道，即 发送信道、接收信道

码元：

• 假设信号周期 T = 1 秒，在一个周期内可能出现n中信号，则每种信号对应一个n进制数
• 每一个信号就是一个码元，信号周期被称为码元宽度
  • 如果一个码元（即一个信号）可能有4种状态，那么可以称其为 4进制码元，即一个码元携带 2bit 数据
• 如果一个信号周期内的出现的信号状态越多，则每个信号周期内可传输更多的信息，即每个码元可携带更多的信息
  • 代价就是需要加强信号功率，并且对信道的要求更高
• 如果一个周期内可能出出现n种信号，则1码元 = log\(_2\)n bit

速率：即信源的数据传输速率，有两种定义

• 波特率：
  • 每秒传输的码元数量
  • 单位：码元/s，或波特Baud/s
• 比特率：
  • 每秒传输的比特数
  • 单位：bit/s，或b/s，bps
• 若一个码元 携带 n 比特的信息量，则波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s

2.2 信道的极限容量

噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理（奈氏准则）：

• 对于一个 理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），极限波特率 = 2W （单位：波特，即 码元/秒）
  • W为信道的频率带宽，单位为Hz
• 因此在奈氏准则种，极限比特率 = 2W log\(_2\)K b/s

香农定理：

• 对于一个有噪声、带宽有限的信道，极限比特率 = W log\(_2\) ( 1 + S/N)（单位：b/s）
  • W为信道的频率带宽，单位为Hz
  • S/N为信噪比
• 信噪比 = S/N = 信号的功率/噪声的功率，使用该公式时没有单位，只是一个比值系数
  • 信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小
  • 信噪比可以用分贝dB为单位表示信噪比，即信噪比 = 10 log\(_{10}\) S/N
  • 采用分贝记法，可以让信噪比简洁的表示出来

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奈奎斯特定理说明：

• 如果波特率太高，会导致"码间串扰"，即接收方无法识别码元
• 带宽越大，信道传输码元的能力越强
• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

香农定理说明：

• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率
• 结合奈奎斯特定理，可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

2.3 编码和调制

二进制数据通过编码可以转变为数字信号，数字信号通过解码可以转变为二进制数数据

二进制数据通过调制可以转变为模拟信号，模拟信号通过借条可以转变为二进制数据

信源通过变换器，可将二进制数编码为信号，在信道上传输；反变换器可以将信号转换为二进制数据，将信号内包含的二进制数解码给信宿

• 有线网络适配器就是一个编码-解码器
• 光猫optical modem就是一个调制-解调器

常见编码方法：

• 以太网默认使用曼彻斯特编码
• 其中，曼切斯特编码有两种标准：
  • 下0上1，依据1949年GE托马斯（G.E Thomas）首次提出的曼切斯特编码便准
  • 上0下1，依据IEEE 802.3标准中规定，考研中遵循IEEE标准
• 区分曼切斯特和差分曼切斯特：
  • 两种编码都是"中必变"，如果中间跳变方向和二进制能够一一对应，就是曼彻斯特

自同步能力：信源和信宿可以根据信号完成节奏同步，无需额外的时钟信号保持同步

编码类型	自同步能力	浪费带宽	抗干扰能力
不归零编码	无	不浪费	弱
归零编码	有	浪费	弱
反向非归零编码	若增加冗余位，如每8位增加1位冗余位，可支持自同步	略微浪费，但浪费不多	弱
曼切斯特编码	有	浪费	强
差分曼彻斯特编码	有	浪费	几种编码中最强

常用调制方法：

• 调制方式通过观察固定周期内，信号呈现什么样的波形函数来区分传输的二进制信息
• 如果希望让一个码元携带更多的比特
  • 对于调幅AM，若一个码元想要传输log\(_2\) K bit，则需要设计K个不同的幅值，从而使用不同的波形函数来区分K种数据
  • 对于调频FM，则需要设计K个不同的频率
  • 对于调相PSK，则需要设计K个不同的相位
• 除了以上几种常见调制方式，还有一种正交幅度调制QAM
  • 将AM、PM结合起来，形成叠加信号
  • 若设计m种幅值、n种相位，则及那个AM、PM信号凉凉符合，可调制出mn种信号，则1码元 = log\(_2\)mn bit
  • 常见QAM
    • QAM-16，即调制16种信号，1码元携带 log216=4 bit 数据
    • QAM-32，即调制32种信号，1码元携带 log232=5 bit 数据
    • QAM-64，即调制64种信号，1码元携带 log264=6 bit 数据
    • QAM-128，即调制128种信号，1码元携带 log2128=7 bit 数据

2.4 传输介质

传输介质transmission medium：也可译为"传输媒体"

• 常见传输介质包括
  • 导向型：
    • 信号朝固定方向传播
    • 如，双绞线、同轴电缆、光纤
  • 非导向型：
    • 信号朝四面八方传播
    • 如无线传输介质

双绞线Twisted Pair：

• 主要构成：两根导线相互绞合而成
  • 有屏蔽层位屏蔽双绞线STP，Shielded Twisted Pair
  • 没有屏蔽层位非屏蔽双绞线UTP，Unshielded Twisted Pair
• 由于绞合、屏蔽层可以提高抗电磁干扰能力，因而抗干扰能力较好
• 近些年应用于局域网、早期电话线
  

同轴电缆：

• 主要构成：内导体（用于传输信号） + 外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）
  • 内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长
• 屏蔽层带来良好的抗干扰性
• 应用于早期局域网、早期有线电视
  

光纤：

• 主要构成：纤芯（高折射率） + 包层（低折射率）
  • 利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号

• 单模光纤：
  • 只有一条光纤在一根光纤种传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
• 多模光纤：
  • 多条光纤在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易市镇
• 光信号对电磁干扰不敏感，因此抗干扰能力非常好
• 除此之外，信号传输损耗小，长距离传输所需的中继器少，很细很省布线空间
  

以太网对有线传输介质的命名规则：速度 + Base + 介质信息

• Base指基带传输Baseband，即传输数字信号，并采用曼切斯特编码
• 10Base5 ——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m
• 10Base2 ——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m（实际是185）
• 10BaseF* ——10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP
• 10BaseT* ——10Mbps，双绞线。*可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1

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无线传输介质（非导向型传输介质）：

• 无线电波：
  • 特点穿透性强，传输距离远，信号指向性弱
  • 如，手机信号，WIFI（wifi的信号频率包括2.4Ghz和5.8Ghz）
• 微波通信：
  • 特点频率带款高，信号指向性强，保密性差（容易被窃听）
  • 如，卫星通信（卫星作为信号中继器，传播时延较大，可用近地卫星群解决。高速微信信号频率约为40GHz）
    
    
• 其他介质：红外线通信、激光通信
  • 特点是信号指向性强
• 无线传播介质本质上都是用电磁波。电磁波的公式：C=λF ，C为光速，λ为波长，F为频率
  • 电磁波频率、波长呈反比关系：
    • 频率越高，数据传输能力越强
    • 波长越短，"信号指向性"越强，信号越趋于直线传播
    • 波长越长，"绕射性"越好，也就是信号"穿墙"能力越强
  • 长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、高速通信，若用于
    长距离通信需建立中继站
  • 短波信号指向性强，要求信号接收器"对准"信号源

物理层接口特性：

• 机械特性：
  • 指明接口所用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：
  • 指明接口电缆各条线出现的电压范围
• 功能特性：
  • 指明某条线上出现的某个电平电压表示的意义
• 过程特性：
  • 指明不同功能的各种事件出现的顺序
    

2.5 物理层设备

中继器Repeater：

• 信号在传输媒介中传输，若传输距离太长，数字信号会失真
• 中继器只有两个端口，通过一个端口接受信号，将市镇信号整形再生，并转发至另一个端口，同时信号再生会产生一些时延
  • 中继器两个端口对应两个网段
• 中继器仅支持半双工通信，即两端连接的节点不可同时发送数据，会导致冲突
• 物理层"电气特性"规定
  • 0.5~1.5V 是低电平，4.5~5.5V 是高电平，不符合此标准的信号视为无效
  • 中继器接收到信号后，会将低电平整形为1V，将高电平整形为5V，然后再输出

集线器Hub：

• 本质上是多端口中继器，集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生，转发到所有其他端口
• 各端口连接的节点不可同时发送数据，会导致冲突
• 集线器的N个端口对应N个网段，各网段属于同一个冲突域/碰撞域

冲突域：

• 如果两台主机同时发送数据会导致"冲突"，则这两台主机处于同一个"冲突域"
• 处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行"信道争用"
• 尽管使用多层集线器，也不能"隔离"冲突域

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物理层设备的其他特性：

• 集线器、中继器不能无线串联
  • 如，10Base5的5-4-3原则
  • 5-4-3原则：
    
    • 使用集线器（或中继器）连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段，使用4台集线器（或中继器），只有3个网段可以挂接计算机
• 集线器连接的网络，物理上是星型拓扑，逻辑上是总线型拓扑
  
• 集线器连接个网段共享带宽
  • 如，带宽为10Mbps的集线器，连接8台主机，每台主机平均只拥有1.25Mbps带宽
• 集线器可以连接不同的传输介质
  • 因此两个网段的物理层接口特性可以不同，即集线器链接的网段物理层协议允许不同
• 集线器如果连接了速率不同的网段，会导致所有网段速率向下兼容