《计算机网络》学习总结——物理层 (梳理重点)

第二章 物理层

2.1 物理层概述

首先，必须要知道，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，而不是具体的传输媒体。即物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉硬件设备、传输媒体和通信方式（数据在计算机内部多采用并行传输，但在通信线路上的传输方式一般是串行传输）的差异，使得物理层上的数据链路层感觉不到这些差异。即物理层的主要功能是提供透明的比特流传输。要特别注意两点：

• 封装好的数据以0、1比特流的形式进行传递， 从一个地方搬到另一个地方。
• 物理层上的传输，从不关心比特流里面携带的信息， 只关心比特流的正确搬运。

用于物理层的协议，也叫物理层规程。可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如：

• 机械特性 (mechanical characteristics) ：指明接口所有接线器的形状、尺寸、引脚数和排列 等，如RJ45。
• 电气特性 (electrical characteristics) ：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性 (functional characteristics) ：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 (procedural characteristics) ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

为了更好了解计算机网络物理层的通信，应具备适当的通信基础知识。

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可以划分为三大部分，即源系统（包括信源和发送器）、传输系统（或传输网络）和目的网络（包括接收器和信宿）。通信是为了传送消息（话音、文字、图像、视频），而数据为运送消息的实体。物理层上数据的传输的形式为信号(数据的电气或电磁表现。)

​ 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，可以分为两类：

• 模拟信号：对应时域的信号取值是连续的。
• 数字信号：对应时域的信号取值是离散的。（代表不同离散值的基本波形称为码元）

2.2.2 有关信道的一些概念

信源和信宿之间的通信一般需要建立通信电路，而信道可表示为向某个方向传送信息的媒体。

来自信源的信号常称为基带信号，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。基带信号往往包含较多一般信道不能传输的低频成分或直流成分，为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制可分为两大类。一类是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，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，也被称为编码(coding)。另一类调制则需要使用载波(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，这样就能够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），而使用载波的调制称为带通调制。

• 常用的编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码
• 基本的通带调制方法：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。或混合的正交振幅调制（QAM）

2.2.3 信道的极限容量

信号在信道（传输介质）上传输的过程中，可以看成由很多不同频率的分量的传输，因为高频分量的不等量衰减，接收方收到的信号是衰减和变形(失真)的。 但在接收方，若可以在失真的波形中识别出原来的波形，则可以视为对通信质量无影响。数字通信只有两种需要识别的波形，更难被影响。

若接收端接收到的信号波形失去了码元之间的清楚界限，称为码间串扰。一般来说，从0 ~ f_c这一频段，振幅在传输过程不会明显衰减，f_c称为截止频率（赫兹/Hz）。

物理带宽(Hz) 为传输过程中振幅不会明显衰减的频率范围。 是一种物理特性，通常取决于介质材料的构成、厚度、 长度等

理想信道的最大传输速率

• 奈奎斯特定理：描述了在无噪声信道中，当 物理带宽为B Hz，信号离散等级为V级（1 比特/码元 代表几个信号），该信道能提供的最大传输速率 = 2Blog₂V (bps ) = 2BlogV (bps )
• 奈奎斯特证明，**任意一个信号通过了一个物理带宽为B的低通滤波器，那么只要进行每秒2B次的采样，就可以完全重构出被滤掉的信号。**任何高于2B次的采样都毫无意义，会造成码间串扰，影响判决。
• 从上面的公式，我们看出，要想增加最大传输率即数字带宽，只有增加物理带宽或离散等级，但是物理带宽是物理特性，不可能随意增加；只有增加离散等级了，即让每一个码元携带更多比特的信息量

噪声信道的最大传输速率

• 香农定理：在噪声信道中，如果物理带宽为 B Hz，信噪比为S/N，那么最大的传输速率（数字带宽）$C=B\log (1+\frac{S}{N})(bps)$​​​
• 很多情况下噪声用分贝(dB) 表示：（噪声为30dB（分贝），则信噪比为S/N=1000）。换算关系公式：分贝值 =$10\lg \frac{S}{N}(db)$​
• 香农公式表明，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。

2.3 物理层下的传输媒体

物理层的功能是搬运比特，承载比特的就是传输介质，事实上，传输介质是多种多样的。按照是否有形，将其分为导引型（有线）传输介质和非导引型（无线）传输介质两大类。

2.3.1 导引型传输介质

1、双绞线，最古老又最常用的传输媒体。由两根相互绝缘的铜导线并排再经过规则的方式绞合构成，一条电缆可包含多对双绞线。其中抗干扰性能的比较排序（从强到弱）：

1.无屏蔽双绞线UTP
2.外层整体加铝箔屏蔽层的双绞线STP(F/UTP)
3. 每对双绞线加铝箔屏蔽层的双绞线U/FTP
4.每对双绞线和外层整体都加铝箔屏蔽层的双绞线 F/FTP

2、同轴电缆，由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层和绝缘保护套组成，具有较好的抗干扰性能。被广泛用于传输较高速率的数据。目前主要用于有线电视网的居民小区中。

3、光缆，包含多条并排光纤。光纤由纤芯和包层组成，由于纤芯的折射率远高于包层的，使得光在纤芯内部全放射而能不断前进。在光纤中常用的光的波段为850nm，1300nm，1550nm。若一条光纤中可以存在多条不同入射角度的光纤传输，称为多模光纤，适合近距离传输。单模光纤的价格较贵，适合远距离传输。

2.3.2 非导引型传输介质

利用无线电波在自由空间的传播来实现无线传输。一般使用特高频(300MHz~3GHz)、 超高频(3GHz~30GHz)、 极高频(30GHz~300GHz), 主要使用2GHz~40GHz。

2.4 复用技术

复用技术是让多用户共享同一根 信道（干线），复用技术是用在干线上的技术，它要解决干线起点如何共用，干线终点如何分离的问题。

频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）：各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源

• 在干线起点，信道的频谱被分成若干段（子带），每个用户占据一段来传输自己的信号，到了干线的终点，每个子带的信号被单独分离出来给各个用户。
• 相邻用户使用的频段（子带）之间，通常留有一定的 带宽，以免混淆，这个频段被称作保护带。

时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

• 在时间上共享信道：将时间划分为非常短的时间片，每个用户周期性地在自己的时间片内使用整个带宽。
• 广泛用于 电话系统和蜂窝系统系统
• TDM要求时间上必须同步，为了适应时钟的微小变化，可能要求增加保护时间间隔
• 如果各用户需要的带宽不均衡，有的需要多，有的需要很少，而TDM用户时间片的使用却是一样的，将造成信道的浪费，不高效

统计时分多路复用STDM (Statistic TDM)

• 动态分配信道，不使用信道的用户不分配，分给有需要的用户使用，利用率可提高2~4倍（按需分配）
• 实现技术较复杂，通常只在高速远程通信中使用，如 ATM
• 用户平均使用信道的情况不适用

波分多路复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)

• 本质跟 FDM一样，在光纤上复用信号
• 按照不同的波长，干线分成了若干份，承载了不同用户的光信号，到了终点，分离器分离出不同波长的光信号。
• 当相邻波长间隔非常接近，子信道的数目非常大，WDM变成了DWDM（Dense，密集波分多路复用）

码分多路复用CDMA (Code Division Multiple Access)

• CDMA允许每个站利用整个频段发送信号，而且没有任何时间限制
• 各用户使用特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
• 在CDMA中，每个比特时间被细分成m个更短的时间间隔，这更短的时间间隔被称为码片；通常地，每个比特被分为64或128。码片序列是正交的，能够同时传输 ，广泛用于3G网通信
• 打个比喻：许多人在两两交谈，TDM可以看成是许多人在大厅里按照顺序交谈；FDM可以看成是不同的人按照不同语调同时进行交谈。 而CDMA可以看成是每对交谈者使用不同语言，有讲中文的、英文的、法语的，讲中文的只听见中文，其它语言对他来说就是噪声。

2.5 物理层设备

一类是被动（无源）部件/设备：比如接线板、插座、 插头、电缆（RJ45的插座和水晶头属物理层非常重要的部件）

另一类是主动部件/设备，主要包括转发器 （ transceiver ）、中继器（Repeater）和集线器 （Hub）。

转发器是发送器Transmitter和 接收器Receiver的合成设备。也叫Media Attachment Unit（MAU），能将一种形式的信号转变成另一种形式 。早期是一个外部设备，现在在主要是网卡上的一个部件，是计算机和传输介质的连接部件，负责收发信号。

中继器主要的功能是再生信号（去噪、放大），让线缆可以延伸得更远，突破UTP100米的传输距离限制。注意：中继器不能过滤流量

• 过滤（ Filter ）：是指设备以一定的特征（如源注意地址、 目的地址、网络协议等）来屏蔽网络流量，并根据已有的标准确定将流量转发或丢弃。

集线器 Hub 即多端口的中继器，能放大和再生信号。因为集线器有很多端口，允许很多设备连接到一 个集线器上来，可以作为星型拓扑的中心，可以接入更多的工作站。但不能过滤交通流量

• 作为星型拓扑的中心，集线器接收到一个信号，它做 的动作就是广播（泛洪） 。即从一个端口收到信号 ，去噪和放大之后 ，从除了来的那个端口外的所有其它端口转发出去！

冲突：信号的碰撞

• 当使用物理层设备时，更多的用户争抢共享资源，导致冲突。
• 冲突的电气表现：冲突在电压上表现为异常，数据被破坏；冲突了的数据通常要被重传。

冲突域：数据包产生和冲突的网络区域，即指共享介质的区域。

• 冲突域越大，意味着冲突发生的可能性越大，也意味 着网络的性能下降！
• 无论是中继器还是集线器的使用，都扩大了冲突域！

2.6 小结

• 物理层的主要功能是：提供透明的比特流传输。
• 物理层具有机械、电气、功能和规程等四大特性。
• 信号在传输的过程中，会发生衰减和变形，所以，数字带宽是有上限的，且跟物理带宽有关系。
  • 奈奎斯特定理：理想信道
  • 香农定理：噪声信道
• 物理层（第一层）的设备都是傻瓜设 备，不具备过滤流量等智能功能。
• 物理层设备的使用，增大了冲突域， 降低了网络的性能。
• 现在，已经很少再使用中继器（光中 继器除外）和集线器了。
• 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，或信宿）。
• 通信的目的是传送消息，如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。
• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号（或连续信号）和数字信号（或离散信号）。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
• 根据双方信息交互方式的不同，通信可以划分为单向通信（或单工通信）、双向交替通信（或半双工通信）和双向同时通信（或全双工通信）。
• 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。
• 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能总是被任意地提高。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）和非导引型传输媒体（无线或红外或大气激光）。
• 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）。
• 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。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）。SDH的帧结构是由N个STM-1为基础的复用。
• 用户到因特网的宽带接入方法有非对称数字用户线ADSL（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）、光纤同轴混合网HFC（在有线电视网的基础上开发的）和FTTx（即光纤到……）。
• 为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。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。

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