【计算机网络】学习笔记，第二篇：物理层（谢希仁版）

说明：

• 文章主要针对科班上课做的简单笔记，以及后面针对一些面试涉及内容的详细讲解
• 再三声明：考研的同学好好去背书，做题，重点研究一下侧重点，加油 ！！！
• 此文章归纳整理自：【计算机网络】（第七版）谢希仁 ，一切内容版权均归书籍作者所有，侵删

一 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能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

现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段有许多不同方式，物理层的作用正是要尽可能的屏蔽掉这些传输媒体和通讯手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通讯手段是什么。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体到接口有关的一些特性：

• (1) 机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

• (2) 电气特性：接口电路的各条线上出现的电压范围

• (3) 功能特性：某条线上出现某一电平电压的意义

• (4) 过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

二 数据通讯的基础知识

(一) 数据图通讯系统的模型

下例为两台计算机通过普通电话机进行连线，然后在通过公用电话网进行通讯的例子

首先可以看到一个数据通讯系统可以划分为三大部分：① 源系统、② 传输系统、③ 目的系统

(1) 源系统包括

• 源点：源点设备产生要传输的数据
• 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中传输，例如调制器

(2) 目的系统包括

• 接收器：结束传输系统发送来的信号，并转换成能被目的设备处理的信息，如解调器

• 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出

(3) 专业术语补充

• 消息：通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等
• 数据：是运送消息的实体，即使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列
• 信号：数据电气或电磁的表现
  • 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数取值是连续的
  • 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的
  • 码元：代表不同离散数值的基本波形（二进制编码的码元就是0和1两种状态）

(二) 有关信道的几个基本概念

信道定义：表示向某一个方向传送信息的媒体，所以，一条信道电路一般包含一条发送信道和一条接收信道

(1) 信息交互的方式

• 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，只需要一条信道，例如有线/无线广播、电视广播
• 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，而是一方发送另一方接收，一段时间后可以反过来，两条信道
• 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收信息，两条信道，且传输效率最高

(2) 调制

来自源的信号常称为基带信号（基本频带信号），例如计算机中输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号属于基带信号，基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或者直流分量，这也就是我们必须对基带信号进行调制的原因

• 基带调制（编码）：仅对基带信号的波形进行变换，使其能与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号
• 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围移到较高频段，并转换为模拟信号，变换后的信号称为带通信号

(3) 常用编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
• 曼切斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1，也可反过来定义
  • 图中小黄点即周期中心
• 差分曼切斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
  • 图中黄色圈即开始边界，如果线条不是一条直线那么就是跳动了，如果线条是直线就是没有跳动

曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（没有自同步能力）而曼彻斯特编码具有自同步能力

(4) 基本的带通调制方法

• 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化，如0或1分别对应无载波或有载波输出
• 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化，如0或1分别对应频率f1或f2
• 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化，如0或1分别对应于相位0度或180度

(三) 信道的极限容量

通信领域的学着一直都在努力寻找提高传输速率的途径。但是这个问题很复杂，因为任何实际的信道都不是理想的，都不可能一以任何高的速率进行传送

(1) 信道能够通过的频率范围

• 码间串扰：信号中高频分类受到衰减，在接收端收到的波形前沿和后沿不那么陡峭，每个码元所占时间界限不明确，失去了码元间的清晰界限的现象
• 奈氏准则：在任何信道，码元传输的速率是有上限的，超过上限就会出现严重的码间串扰，使接收端对码元无法识别（对码元的判决成为不可能）

(2) 信噪比

噪音是存在所有电子设备和通信通道中，因为噪声是随机产生的，所以它的瞬时值有时候会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1 误判为 0，0 误判为 1），但是噪声的影响是相对的，信号越强，那么噪声的影响就相对较小，因此信噪比十分重要

定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作S/N，且常用分贝（dB）作为度量单位

公式：信噪比(dB) = 10 log10(S/N)(dB)

例子：当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB，而当 S/N = 1000时，信噪比为 30 dB

(3) 香农公式

信道的极限数据传输速率 = Wlog₂(1+S/N)

• W：信道带宽（Hx）
• S/N：信噪比【无单位】
• 如果信噪比单位为dB 需要使用 信噪比 = 10log₁₀(S/N)求出S/N

香农公式的结论和意义：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高、
• 只要信息传输速率低于信道的极限速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输

若信噪比不能再提高了，且码元传输速率也达到了了上限值，还可以使用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

三 物理层下的传输媒体

传输媒体：是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

(一) 传输媒体的分类

引导型：电磁波被引导沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

• 双绞线、同轴电缆、光纤

非引导型：指自由空间，电磁波的传输常被称为无线传输

(1) 引导型

A：双绞线

常见的网线，电话线，模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通讯距离一般为几到十几公里

B：同轴电缆

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据

同轴电缆的带宽取决于电缆的质量

C：光缆

光纤是光纤通信的传输媒体

由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽

只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射

光纤的优点：

• (1) 通信容量非常大
• (2) 传输损耗小，中继距离长
• (2) 抗雷电和电磁干扰性能好
• (3) 无串音干扰，保密性好
• (4) 体积小，重量轻

(二) 非引导型传输媒体

• 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低
• 微波在空间主要是直线传播

传统微波通信有两种方式：

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

无线局域网使用的 ISM 频段

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准有可能略有差别。

四 信道复用技术

(一) 频分复用、时分复用、统计时分复用

复用：允许用户使用一个共享的信道进行通信，降低成本，提高利用率

(1) 频分复用

原理：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

特点：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽

• 注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率

(2) 时分复用

原理：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)，每个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙

特点：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

时分复用可能会造成线路资源的浪费

• 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的

(3) 统计时分复用

原理：使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数，各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，没有数据的缓存就跳过，当一个帧放满即发送，因此STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙

某用户占用的时隙不是周期性出现的，因此统计时分复用又称为异步时分复用，而时分复用又称为同步时分复用

(二) 波分复用

(1) 波分复用：

原理：就是光的频分复用，使用同一根光纤同时传输多个光载波信号

(2) 码分复用（码分多址）

原理：各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会互相干扰

码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片

工作方式：

• 每个站被指派一个唯一的mbit码片

  • 若发送1，则发送自己的m bit码片

  • 若发送0，则发送该码片的二进制反码

码片实现扩频：由于一个比特可转换成m个比特的码片，因此实际发送数据率提高了m倍

重要特点：每个站的码片必须各不相同，并相互正交

码片正交关系：不同码片正交，就是向量S和T的规格化内积为0，（规格化内积即对应为相乘）

正交关系的重要特征：任何码片与自己的规格化内积为1，与自己反码的规格化内积为-1

五 数字传输系统

(一) 早期数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输方式

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势

目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式

脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话

(二) 早期数字传输系统的缺点

• 速率标准不一

• 不是同步传输

现代的传输网络的传输媒体：光纤

同步光纤网(SONET)：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

同步数字系列(SDH)：由sonet为基础发展的国际标准

六 带宽接入技术

(一) ADSL技术

ADSL技术：非对称数字用户线，将原有的模拟电话线进行改造，使其能够承载宽带业务

• 将0-4k的低端频谱留给电话使用，将剩余部分给宽带使用，其中上行带宽小于下行带宽

传输距离：与数据率和用户线的线径（粗细）有关

传输速度：与实际用户线的信噪比密切相关

数据率：采用自适应调制技术使用户线能够传输尽可能多的数据，受环境和线路条件影响较大

特点：上行和下行带宽不对称、需要在用户线两端各安装一个调制解调器

(二) 第二代ADSL

第二代ADSL：得到更高的数据率，采用无缝速率自适应技术，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率

光纤同轴混合网（HFC）：是目前覆盖面较广的有线电视网，采用模拟技术，频分复用，主干部分使用光纤，入户部分使用同轴电缆

(三) FTTx技术

FTTx技术：是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式

无源光网络PON：为有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，长期运行和管理成本低。

最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON

七 结尾

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