计网第二章 物理层

鸣谢：非常感谢B站湖大教书匠老师的网课，本笔记是听老师计算机网络相关课程时记录的，想看网课的朋友可以移步这里：计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）

2.1 物理层的基本概念

在计网中用来简介两台设备的传输媒体有很多种，可分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在引导型传输媒体中，常见的有双绞线、同轴电缆、光纤；非导引型通信的主要传输媒体是微波通信（2~40GHz）。

物理层的主要功能是解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。进而给数据链路层提供透明的传输比特流的服务。

物理层为了实现自己的重要功能，其协议的主要任务包括以4个特性：

• 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：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 物理层下面的传输媒体

注：传输媒体不属于计网体系结构中的任何一层，如果非要将它添加到体系结构中，只能将其放在物理层之下。

传输媒体可分为两类：

\[传输媒体 \begin{cases} 导引型传输媒体\\ 非导引型传输媒体 \end{cases} \]

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体传输媒体传播。
非导引型传输媒体是指自由空间。

导引型传输媒体

常见的导引型传输媒体有：

同轴电缆：

同轴电缆的横切面各层都是同轴心的，这就是其名字的由来。
同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域上都是采用双绞线作为传输媒体。
同轴电缆分为两类：

• 一类是50欧阻抗的基带同轴电缆。用于数字传输，过去用于局域网。
• 另一类75欧阻抗的带宽同轴电缆。用于模拟传输，目前主要用于有线电视。

双绞线：

双绞线一般是两根铜线绞合起来，绞合的作用：抵御部分来自外界的电磁干扰；减少相邻导线带来的电磁干扰。
常见的绞合线类别、带宽和典型应用如下表所示：

光纤：

由于光纤非常细，需要把它做成光缆，一根光缆少则一根光纤，多则数十至数百根光纤。加上加强芯和填充物，可以大大提高机械强度。
光纤的纤芯非常细，多模光纤的纤芯直径有50微米和6.25微米。单模光纤直径9微米。光纤外面的包层直径也很细，约为125微米。
光纤通信的常用工作波长为：0.85微米（衰减较大）；1.30微米（衰减较小）和1.55微米（衰减较小）。
光纤的优点：通信容量大（25000~30000GHz的带宽）；传输损耗小，远距离传输时更加经济；抗雷电和电磁干扰性能好，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要；无串音干扰，保密性好，不易被窃听；体积小，重量轻。
光纤的缺点：割切需要专用设备；光电接口价格较贵。

光在光纤中传输的基本原理：

发送端可采用发光二极管或半导体激光器作为光源。接收端可采用光电二极管或激光检波器检测光脉冲。
当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，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，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。该过程反复进行，光在纤芯中传输的方式是不断地全反射。

多模光纤：实际上，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。因此可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。
由于光的色散，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽）。因此，多模光纤只适合近距离传输（建筑物内）。多模光纤对光源的要求不高，可以使用发光二极管，相应的，可采用光电二极管检测光脉冲。

单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导一样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
单模光纤没有模式色散，没有脉冲展宽问题。
单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高。
发送光源：激光发生器；接收检测：激光检波器。

电力线

最早应用电力线传输的示例是电力线电话。
如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线作为传输媒体是不满足要求的。对于装修时没有进行网络布线的家庭，可以采用这种方式。

非导引型传输媒体

我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。

• 无线电波：无线电波中的低频和中频频段，主要利用地面波进行传输，而高频和甚高频频段，主要是靠电离层的反射。
• 微波：频率范围300MHz~300GHz，微波在空间主要是直线传播，由于微波回穿透电离层进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信有两种方式，一种是地面上的微波接力通信，一种是卫星通信。由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是曲面，所以其传播长度收到限制，一般在50km左右。为实现远距离通信，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经过放大后再发送到下一站。
  常用的卫星通信方法是在地球站之间，利用人造同步卫星作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点是通信距离远，传播时延大。
• 红外线：点对点无线传输。直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输距离低。
• 可见光：Lifi通信，还在实验研究阶段。

2.3 传输方式

串行传输&并行传输

• 串行传输
  数据是一个bit一个bit一次发送的，因此在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。
• 并行传输
  一次发送n个bit，为此在发送端和接收端之间需要n条数据传输线路。
  并行传输的优点：速度为串行传输的n倍。缺点；成本高
• 在计算机网络中，远距离传输常采用串行传输，计算机内部的数据传输常采用并行传输的方式。

同步传输&异步传输

• 同步传输：
  数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的的比特0还是比特1。
  收发双方时钟同步的方法：
  外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
  内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）
• 异步传输：
  采用异步传输方式时，以字节为独立的传输单位。字节之间的时间间隔不是固定的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后加上起始位和结束位。
  这里的异步是指字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
  字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）

单工通信&半双工&全双工

• 单工通信：
  又称单向通信，通信双方只有一个数据传输方向。（例：无线电广播）
• 半双工：
  又称为双向交替通信。通信双方可以互相传输数据，但不能同时进行。（例：对讲机）
• 全双工：
  又称为双向同时通信。通信双方可以同时发送和接收信息。（例：电话）

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道，每个方向各一条。

2.4 编码与调制

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，这些内容可以统称为“消息”。
数据是运送消息的实体。计算机中的网卡将比特0、1变换成相应的电信号发送到网线。也就是说，信号是数据的电磁表现。
由信源发出的原始电信号称为基带信号。基带信号可以分为两类，一类是数字基带信号（例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号）；另一类是模拟基带信号（例如麦克风收到声音后产生的音频信号）
信号需要在信道中进行传输，信道可以分为数字信道和模拟信道两种，在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可在数字信道中传输。把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，成为调制。调制后产生的信号是模拟信号，可在模拟信道中传输。对于模拟基带信号也有编码和调制两种方法。

码元：
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。

传输媒体与信道的关系：
严格来说，传输媒体和信道不能直接划等号，对于单工传输，传输媒体只包含一个信道。而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道。如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。
在计算机网络中，常将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。

常用编码：

• 不归零编码：正电平表示比特1，负电平表示比特0.在整个码元时间内，电平不会出现0电平。另外，为了区分码元的边界，需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。接收方按照时钟信号的节拍来逐个接收码元。
• 归零编码：每个码元传输结束后信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。归零编码相当于把时钟信号用“归零方式”编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。
• 曼彻斯特编码：在每个码元时间的中间时刻，例如，负跳变表示比特1，正跳变表示比特0.码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。传统以太网就是用的是曼彻斯特编码。
• 差分曼彻斯特编码：每个码元时间中间都会发生跳变，但是跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据。

基本调制方法：

• 调幅（AM）：无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1.
• 调频（FM）：频率f1表示比特0，频率f2表示比特1.
• 调相（PM）：初相位0度表示比特0，初相位180度表示比特1.

采用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息，如何使1个码元包含更多比特呢？
可以采用混合调制的方法。
由于频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。
使用QAM-16调制方法可以调制出12中相位，每种相位有1或2种振幅可选。QAM-16可调制出16种码元。所以每个码元可以对应表示4个比特。
每个码元与4个比特的关系可以随便定义吗？不可以，因为在信号传输过程中可能会出现信号失真。如果随便定义解调出来可能会出现较严重的错误。
码元与4个比特的对应关系采用格雷码。也就是任意两个相邻码元只有1个比特不同。

2.5 信道的极限容量

在通信过程中，输入信号在信道中可能会出现失真。当失真不严重时，在输出端还可以根据已失真的波形还原出发送的码元。但当失真严重时，输出端很难判断这个信号具体是什么。信号波形失去了码元间的清晰界限，这个现象称为码间串扰。

产生失真的原因主要有码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。

奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
理想低通信道的最高码元传输速录 = 2W Baud
理想带通信道的最高码元传输速录 = W Baud
W: 信道带宽（单位为Hz）
Baud: 波特，即码元/秒

码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：

• 当一个码元只携带1比特的信息量时，波特率和比特率在数值上相等。
• 当一个码元携带n比特信息量时，比特率 = 波特率*n

要提高信息传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制（混合调制）。
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。

香农公式：带宽受限且有白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

\[C = W \times log_2(1 + \cfrac{S}{N}) \]

其中，C：信道的极限信息传输速率（单位b/s）
W：信道带宽（单位赫兹）
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝作为单位。
信噪比（分贝） = \(10 \times log_{10}(\cfrac{S}{N})\)

由公式中可以看出，信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

综合考虑奈氏准则和香农公式：
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率，就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。