计算机网络物理层

计算机网络物理层（网络规划设计师，计算机考研408）

第 2 章 物理层

• 物理层的基本概念
  • 物理层所要解决的问题
    • 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。
    • 物理层作用
      • 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，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使什么。
  • 物理层协议的主要任务
    • 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。
• 数据通信的基础知识
  • 数据通信系统的模型
    • 发送系统
      • 源系统
        • 把用户需要发送的信息内容进行采集和变换，形成计算机系统能够识别和传输的数据。
      • 发送器系统
        • 1.把源系统提供的数据比特流变换成一定规律的数据比特序列，减少出错的可能性
        • 2.把变换后的数据比特序列转换成能够在通信介质中传输的信号，并通过通信介质传输给其他系统
    • 传输系统
      • 把发送系统提供的数据信号准确、及时、可靠地传输给接收系统。
    • 接收系统
      • 接收器系统
        • 1.把来自传输系统的信号变换为编码后的数据比特序列
        • 2.把编码后的数据比特序列变换为真实的传输数据比特序列
      • 终点系统
        • 接收来自接收器系统的数据比特序列，变换输出为有效的信息内容并提供给接收方用户
  • 传输方式
    • 串行传输和并行传输
      • 串行传输：比特一个接一个在一根传输线上进行传输。适合远距离传输，计算机网络采用这种传输。
      • 并行传输：多个比特同时在多根传输线上传输。不适合远距离传输，成本太高。计算机内部采用这种传输。
    • 同步传输和异步传输
      • 同步传输：比特一个接着一个传输，中间没有间隔，各比特持续时长相等。需要收发双方时钟同步，有两种方法。 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：以字节为单位进行传输，字节之间的间隔不固定，但每个字节内的比特持续时长是相等的。 换句话说，字节间异步，比特间仍是同步的。为此，需要给每个字节添加起始位和结束位。
    • 单工、半双工以及全双工传输
      • 单工：单向通信，例如广播。
      • 半双工：双向交替通信（不能同时），例如对讲机。
      • 全双工：双向同时通信，例如电话。
  • 编码与调制
    • 数据通信中的常用术语
      • 消息
        • 需要计算机处理的文字、图片、音频以及视频等统称为消息。
      • 数据
        • 数据是运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。
      • 信号
        • 信号是数据的电磁表现
        • 基带信号
          • 来自信源的原始电信号称为基带信号
          • 数字基带信号
            • 例如在计算机内部，CPU与内存之间所传输的信号。
          • 模拟基带信号
            • 例如，麦克风采集到声音后所产生的音频信号。
      • 码元
        • 在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。
      • 信道
        • 信号传输的媒介
    • 编码
      • 数字信号转换为另一种数字信号， 在数字信道中传输
        • 例如，以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码。
      • 模拟信号转换为数字信号 ，在数字信道中传输
        • 例如，对音频信号进行编码的脉码调制PCM。
      • 常用编码
        • 不归零编码
          • 在整个码元时间内不会出现零电平，正电平表示1，负电平表示0 存在同步问题，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。 对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。
        • 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。正表示1，负表示0 实际上，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
          • 在码元中间时刻发生电平跳变，既表示时钟，也表示数据 正跳变表示1或0，负跳变表示0或1，可自行定义 传统以太网（10Mb/s）使用该编码
        • 差分曼彻斯特编码
          • 在码元中间时刻发生电平跳变，跳变仅表示时钟。 码元开始处电平是否发生变化表示数据。 比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。
    • 调制
      • 数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输
        • 例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方式。
      • 模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输
        • 例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输。 频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。
      • 基本调制（二元制）
        • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
        • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
        • 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
        • 图片
      • 混合调制（多元制）
        • 例如，将相位与振幅进行混合调制的正交振幅调制QAM。 QAM16可以调制出12种相位，每种相位有1或2个种振幅可选。 可以调制出16种基本波形，每种波形可以对应表示4个比特。
  • 信道的极限容量
    • 造成信号失真的因素
      • 码元传输速率
      • 信号传输距离
      • 噪声干扰
      • 传输媒体质量
    • 奈氏准则
      • 理想低通信道的最高码元传输速率
        • 2W Baud = 2W 波特 = 2W 码元/秒 其中，W为信道带宽，单位是Hz。
      • 理想带通信道的最高码元传输速率
        • W Baud = W 波特 = W 码元/秒 其中，W为信道带宽，单位是Hz。
      • 波特率与比特率的关系
        • 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。它与比特率有一定的关系。 当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上时相等的； 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。
      • 注意事项
        • 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这个上限值。这是因为实际信道还会受到其他很多因素干扰（例如噪声干扰、信号衰减、传输媒体质量等）。 要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。 并不是无限制提高每个码元携带的比特数量，就可以无限制地提高信息的传输速率。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。
    • 香农公式
      • 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
      • 注意事项
        • 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，信号还要收到其他一些损伤，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。 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
    • 奈氏准则和香农公式的意义
      • 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。
      • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
      • 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
      • 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
• 数字传输系统
  • 脉码调制 PCM 体制
  • 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH
• 宽带接入技术
  • xDSL技术
    • xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
  • 光纤同轴混合网（HFC 网）
    • HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
  • FTTx 技术
    • FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
      • 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
      • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
      • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
• 信道复用技术
  • 频分复用、时分复用和统计时分复用
    • 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)
      • 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
        • 示意图
    • 时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
      • 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
        • 示意图
    • 统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
      • 是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。
        • 示意图
  • 波分复用
    • 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
      • 光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。
  • 码分复用
    • 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)
      • 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
      • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
      • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
      • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
      • 具体内容
        • 1.为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 S 和 T 有
        • 2.为了讨论方便，取 m=8，设码片 s 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。 在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到(其中 S' 为 S 的反码。)
        • 3.利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。
      • 码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。
• 物理层下面的传输媒体
  • 导向传输媒体
    • 双绞线
      • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
      • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
      • 绞合的作用1.抵御部分来自外界的电磁干扰 2.减少相邻导线的电磁干扰 目前的家用以太网，最低应选用超5类（5E）双绞线 屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线具有更好的抗干扰性能，但价格也更贵。
    • 同轴电缆
      • 基带同轴电缆（50欧） 用于数字传输，过去用于局域网，现在局域网领域采用双绞线
      • 宽带同轴电缆（75欧） 用于模拟传输，目前主要用于有线电视
    • 光缆
      • 光纤的工作原理
        • 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
      • 多模光纤（MF）
        • 光在多模光纤中不断全反射向前传输 由于色散问题，光在多模光纤会产生脉冲展宽的问题 多模光纤只适用于近距离传输（建筑物内） 多模光纤对光源要求不高。可采用便宜的发光二极管作为光源。相应的，可采用光电二极管来检测光脉冲。
      • 单模光纤（SF）
        • 单模光纤的直径仅一个光波的波长。光在其中一直向前传播而不发生全反射。 单模光纤没有脉冲展宽问题 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。 必须使用昂贵的激光发生器作为光源。相应的，需要使用激光检波器来检测光脉冲。
      • 特点
        • 通信容量非常大
        • 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好
        • 无串音干扰，保密性好
        • 体积小，重量轻
    • 电力线
      • 并不是新技术（上个世纪20年代就出现了） 对于家用或小型企业，只有在无法或不愿布网线的情况下采用。
  • 非导向传输媒体
    • 无线传输所使用的频段很广。
    • 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
    • 无线电波
      • 低频LF和中频MF频段，使用地面波传输 高频HF和甚高频VHF频段，依靠电离层的反射进行传输
    • 微波
      • 直线传播，可以穿透电离层
      • 地面微波接力通信，地面100米发生塔，最大视距LOS传输距离为100公里
      • 卫星通信（地球同步卫星、低轨道卫星）
    • 红外线
      • 点对点传输 直线传输、中间不能有障碍物，传输距离短 传输速率低（4Mb/s ~ 16Mb/s） 笔记本电脑上已经淘汰
    • 可见光
      • LiFi比WiFi具有更高的传输速率 目前还在实验研究阶段
    • 无线电频谱管理机构
      • 中国
        • 工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室）
      • 美国
        • 联邦通讯文员会FCC
      • ISM频段
        • ISM（Industrial，Scientific，Medical）频段 美国的ISM频段有915MHz，2.4GHz，5.8GHz 不同国家的ISM频段可能略有不同