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《计算机网络(谢希仁)》物理层
计算机网络（第7版）谢希仁 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。该层次的主要任务是：确定传输媒体的接口的一些特性，包括：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。
编辑于2021-05-04 11:24:51
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物理层
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比特流，而不是指具体的传输媒体
物理层的作用
尽可能地屏蔽掉各种传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到传输媒体和通信手段的差异
物理层规程 (procedure)
用于物理层的协议常称为物理层规程
物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性
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、固定和锁定装置等
平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化规定
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的意义
过程特性
指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
物理层还要完成传输方式的转换
数据在计算机内部多采用并行传输方式
数据在通信线路 (传输媒体) 上的传输方式一般都是串行传输 (出于经济上的考虑)
即逐个比特按照时间顺序传输
具体的物理层协议种类较多
物理连接的方式很多
如，可以是点对点的、也可采用多点连接或广播连接
传输媒体的种类非常多
如，架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等
数据通信的基础知识
数据通信系统的模型
一个数据通信系统可划分为三大部分
源系统 (或发送端、发送方)
源点 (source)
源点设备产生要传输的数据
例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流
源点又称为源站，或信源
发送器
通常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进行传输
典型的发送器就是调制器
现在很多计算机使用内置的调制解调器 (包含调制器和解调器)
传输系统 (或传输网络)
可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统
目的系统 (或接收端、接收方)
接收器
接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能被目的设备处理的信息
典型的接收器是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流
终点 (destination)
终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后输出信息
例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来
终点又称为目的站，或信宿
一些常用术语
消息 (message)
通信的目的是传送消息
如话音、文字、图像、视频等都是消息
数据 (data)
数据是运送消息的实体
[RFC4949]数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器 (或人) 处理或产生
信号 (signal)
信号是数据的电气或电磁的表现
分类
模拟信号 (或连续信号)
代表消息的参数的取值是连续的
数字信号 (或离散信号)
代表消息的参数的取值是离散的
码元
在使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元
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
一个码元所携带的信息量是不固定的，而是由调制方式和编码方式决定的
有关信道的几个基本概念
信道和电路并不等同
信道 (channel) 一般是用来表示向某一个方向传送信息的媒体
一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道
从通信的双方信息的交互方式来看，有三种基本方式
单向通信
又称单工通信，即只有一个方向的通信而没有反方向的交互
无线电广播或有线电广播以及电视广播属于这种类型
单向通信只需一条信道
双向交替通信
又称半双工通信，即通信的双方都可发送信息，但不能双方同时发送
这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来
双向同时通信
又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息
传输效率最高
需要两条信道
基带信号
来自信源的信号常称为基带信号 (即基本频带信号)
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直流分量
调制 (modulation)
基带调制
仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应
变换后的信号仍然是基带信号
因为这种调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，所以大家更愿意把这种过程称为编码 (coding)
数字信号常用编码方式
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
曼彻斯特 (Manchester) 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。但也可反过来定义
差分曼彻斯特编码
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，位开始边界没跳变代表1
带通调制
需要使用载波 (carrier) 进行调制，把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，这样就能更好地在模拟信道中传输
经过载波调制后的信号称为带通信号 (即仅在一段频率范围内能够通过信道)
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分别对应于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分别对应于频率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
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
信道的极限容量
数字通信的优点
虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重
限制码元在信道上的传输速率的因素
信道能够通过的频率范围
具体的信道通过的频率范围总是有限的。信道中的许多高频分量往往不能通过信道
码间串扰
如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰
奈氏准则
1924年，Nyquist给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决 (即识别) 成为不可能
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可用更高的速率传送码元而不出现码间串扰
信噪比
噪声
噪声存在与所有的电子设备和通信信道中
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
如果信号相对较强，那么噪声的影响会相对较小
信噪比
信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，度量单位为分贝(dB)
信噪比 (dB) = 10 lg(S/N) (dB)
此处的lg是指以10为底的log
例，当S/N=1000时，信噪比为30dB
香农公式
信道的极限信息传输速率C是 C = W log(1+S/N) (bit/s)
此处的log是指以2为底的log
W为信道的带宽 (单位是Hz)
信道的带宽或信道中的信噪比越大，信道的极限信息传输速率就越高
意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输
对于频带宽度已确定的信道，还有什么办法提高信息的传输速率？
用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量
物理层下面的传输媒体
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，又称传输介质/传输媒介
分类
导引型 (guided) 传输媒体
电磁波被导引沿着固体媒体 (铜线或光纤) 传播
非导引型传输媒体
指自由空间
在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输
导引型传输媒体
双绞线/双扭线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则方法绞合 (twist) 起来构成了双绞线
绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
使用双绞线最多的地方是电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机
这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriber loop)
模拟传输和数字传输都可使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里
导线越粗，其通信距离就越远，导线价格也越高
距离太长时加放大器以便将衰减的信号放大到合适的数值 (对于模拟传输)
距离太长时加中继器以便对失真了的数字信号进行整形 (对于数字传输)
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
EIA/TIA-568-A标准规定了5个种类的UTP标准 (从1类线到5类线)
在局域网领域基本都采用双绞线作为传输媒体
同轴电缆
由内导体同质芯线 (单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层 (也可是单股的) 以及保护塑料外层所组成
同轴电缆具有很好的抗干扰特性(外导体屏蔽层)，被广泛用于传输较高速率的数据
主要用在有线电视网的居民小区中
光缆
光纤通信
光纤通信是利用光导纤维(简称为光纤)传递光脉冲来进行通信
有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0
由于可见光的频率非常高，一个光纤通信系统的传输带宽远大于其他传输媒体的带宽
在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850nm、1300nm和1550nm
这三个波段都具有25000~30000Hz的带宽，通信容量大
光纤
通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体
光纤通信的传输媒体
发送端有光源，发光二极管或半导体激光器在电脉冲的作用下能产生光脉冲
接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时还原成电脉冲
光纤通信飞速发展的最关键因素
现代生成工艺可制造出超低损耗的光纤，即光纤在纤芯中传输数公里基本没什么损耗
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
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
分类
多模光纤
可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输
光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真
因此只适合近距离传输
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那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射
制造成本较高，但衰耗较小
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能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
体积小，重量轻
广泛应用在计算机网络、电信网络或有线电视网络的主干网中，因为它提供高带宽
由于光纤非常细(nm级别)，因此必须将光纤做成很结实的光缆
一根光缆少则只有一根光纤，多则包括数十或数百根光纤
加上加强芯和填充物大大提高其机械强度
必要时还可放入远供电源线
最后加上包带层和外护套，可使抗拉强度达到几公斤，满足工程施工强度要求
架空明线 (铜线或铁线)
在电线杆上架设的互相绝缘的明线
安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大
非导引型传输媒体
利用无线信道进行信息的传输，是在运动中通信的唯一手段
无线传输可使用的频段很广
低频LF(30kHz~300kHz)、中频MF(300kHz~3MHz)、高频HF(3MHz~30MHz)
更高的频段：VHF、UHF、SHF、EHF、THF
紫外线和更高的波段目前还不能用于通信
短波通信 (即高频通信)
主要靠电离层的反射
通信质量较差
电离层不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应
当必须使用短波无线电台传输数据时，一般都是低速传输
无线电微波通信
微波的频率范围为300MHz~300GHz，但主要使用2~40GHz的频率范围
微波在空中主要是直线传播
地球表面是曲面，其传播距离受限制。在信道的终端之间设若干个中继站(称为接力)
两种方式
地面微波接力通信
微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息
主要特点
微波波段频率很高，频段范围宽，因此其通信信道的容量很大
因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高
与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河
缺点
相邻站之间必须直视 (常称为视距LOS(Line Of Sight))，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真
微波的传播有时也会收到恶劣天气的影响
与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差
对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力
卫星通信
在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信
主要优缺点大体上与地面微波接力通信差不多
特点
通信距离远，且通信费用与通信距离无关
频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰较小，通信较稳定
具有较大的传播时延
费用较高
通信卫星本身和发射卫星的火箭造价较高。同步卫星使用寿命一般为10~15年。卫星地球站的技术较复杂，价格较贵
除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始使用
低轨道卫星相对于地球不是静止的，而是不停地围绕地球旋转
大功率、大容量、低轨道宽带卫星已开始在空间部署，并构成了空间高速链路
红外通信、激光通信
可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据
信道复用技术
频分复用、时分复用和统计时分复用
在进行通信时，复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)成对地使用
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
频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽资源 (此处"带宽"指频率带宽)
时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
将时间划分为一段段等长的TDM帧。每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙
每个用户所占用的时隙周期性出现(其周期就是TDM帧长度)。因此TDM信号也称为等时(isochronous)信号
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度
时分复用更有利于数字信号的传输
技术比较成熟，但不够灵活
统计时分复用STDM(Statistic TDM)
一种改进的TDM，它能明显地提高信道的利用率
集中器(concentrator)常使用这种STDM
这种集中器也叫做智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力，通过排队方式使各用户更合理地共享信道
STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙
因此在每个时隙中必须有用户的地址信息，这是STDM必要的开销
在输出线路上，某个用户所占用的时隙并不是周期性出现
因此STDM又称为"异步时分复用"，普通的TDM称为"同步时分复用"
波分复用
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用
密集波分复用DWDM(Dense WDM)
现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号
光复用器(合波器)->掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)->光分用器(分波器)
码分复用
码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法
更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)
每个用户可在同样的时间使用同样的频带进行通信
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰
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
现已广泛使用在移动通信中，特别是在无线局域网中
采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率，等等
工作原理
在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)
通常m的值是64或128。为简单起见，设m为8
使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列(chip sequence)。一个站若要发送比特1，则发送它自己的 m bit 码片序列。若要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码
例，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，当S发送比特0时，发送11100100。按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
扩频(spread spectrum)通信
直接序列扩频DSSS(Direct Sequence SS)
码片序列就属于这类。假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际发送的数据率提高到 mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍
跳频扩频FHSS(Frequency Hopping SS)
CDMA系统的一个重要特点
这种体制给每一个站分配的码片序列必须各不相同，还必须互相正交(orthogonal)
在实用的系统中是使用伪随机码序列
数学公式表示码片序列的正交关系：
向量 S 表示站S的码片向量，T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积(inner product)都是0
数字传输系统
最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM
早期的数字传输系统的缺点
速率标准不统一
不是同步传输
现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET(美国标准)或同步数字系列SDH(国际标准)
宽度接入技术
ADSL技术
非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务
"非对称"：ADSL的下行(从ISP到用户)带宽远大于上行(从用户到ISP)带宽
因为用户在上网时主要是从互联网下载各种文档，向互联网发送的信息量一般不大
基于ADSL的接入网的三大组成部分
数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)
ADSL调制解调器
又称为接入端接单元ATU(Access Termination Unit)
我国目前采用的方案是离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术
电话分离器(Splitter)
ADSL最大的好处
可以利用现有电话网中的用户线(铜线)，而不需要重新布线
ADSL2(第二代ADSL)
ADSL技术变型
对称DSL，即SDSL(Symmetric DSL)
适合于企业使用。因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给用户
HDSL(High speed DSL)
使用一对线或两对线的对称DSL，用来取代T1线路的高速数字用户线
VDSL(Very high speed DSL)
ADSL的快速版本，比ADSL更快的、用于短距离传送(300~1800m)
光纤同轴混合网(HFC网)
HFC(Hybrid Fiber Coax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网
主要特点
为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤
现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带
电缆调制解调器不需要成对使用，只需安装在用户端
FTTx技术
光纤到户FTTH(Fiber To The Home)
把光纤一直铺设到用户家庭
问题
目前的价格不够便宜
一般的家庭用户并没有这样高的数据率的需求
FTTx
多种宽带光纤接入方式，表示Fiber To The...，字母x可代表不同的光纤接入地点
无源光网络PON(Passive Optical Network)
无源的光配线网
光配线网ODN(Optical Distribution Network)是在光纤干线和广大用户之间，铺设的一段中间的转换装置，使得数十个用户能共享一根光纤干线，有效利用光纤资源
"无源"表明在光配线网中无须配备电源，故基本上不用维护，其长期运营/管理成本低
流行的两种
以太网无源光网络EPON(Ethernet PON)
优点：与现有以太网的兼容性好，成本低，扩展性强，管理方便
吉比特无源光网络GPON(Gigabit PON)
很有潜力的宽带光纤接入技术：可承载多业务，能对各种业务类型提供服务质量保证