计算机网络(第二章)——物理层

本文来自b站计算机网络课程，是对该课程的总结学习。

全文是作者精心打造，可能有些地方会有些出入，目前初次学习也许了解浅显，往各位可留言指正。

2.1物理层的基本概念

计算机网络的物理层就是要解决在各种传输媒介上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。而解决在各种传输媒介上传输比特0和1的问题中，主要有以下四个任务：分别是机械特性、电器特性、功能特性以及过程特性。

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。

注意：

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。
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是什么。

2.2物理层下面的传输媒体

可分为两类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒介传播。常见的导引型传输媒体有：双绞线、同轴电缆、光纤、电力线。

而非导引型传输媒体是指自由空间，可使用的电磁波有：无线电波、微波、红外线、可见光。
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导引型传输媒体

1.同轴电缆

内导体铜质芯线（可以是单股实心线或者是多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、绝缘保护套层所组成。

其中同轴电缆有两类：一类是50欧阻抗的基带同轴电缆，另一类是75欧阻抗的宽带同轴电缆

由于同轴电缆存在价格较贵且布线不够灵活和方便，同轴电缆逐渐被双绞线所替代。

?2.双绞线

双绞线是最古老叉最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并放在一起,然后按照一定规则绞合起来就构成了双绞线。一共八根铜导线，每两根绞合成一条双绞线(如图无屏蔽双绞线UTP电缆)。

屏蔽双绞线电缆比无屏敝双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力。

绞合的作用：抵御部分来自外界的电磁波干扰和减少相邻导线的电磁干扰

下面是这是常用的绞合线的类别、带宽和典型应用：

3.光纤

由于光纤非常细，所以必须将它做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就回以大大提高机械强度，必要时回放入远供电源线。最局加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几千克，完全可以满足工程施工的强度要求。
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纤芯是由非常透明的石英玻璃拉成细丝(直径8~100微米)，光纤的纤芯非常细，多模光纤的纤芯直径有50微米和62.5微米。而纤芯外面的包层也非常细，直径不超过125微米。

在光纤通信中，常用曼个波段的中心分别位于0.85微米、1.30微米和1.55微米。

光纤的优缺点

体积小，重量轻：例如1公里长的1000对双绞线电缆约重8000公斤。而同样长度但容量大得多的对两芯光缆仅重100公斤。

割接光纤需要专用设备，目前光电接口的价格还比较贵。
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光在光纤中传输的基本原理：

光纤通常是由非常透明的石英玻璃拉成细丝(直径8~100微米)，主要是由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

在发送端，可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源。在接收端，可以采用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。光也就沿着光纤传输下去。

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一个临界角度，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，这种光纤被称为多模光纤。

由于光的色散问题，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真，也就是脉冲展宽(也就是输入脉冲和输出脉冲不一样)。因此，多模光纤只适合近距离传输(例如在建筑物内)。多模光纤对光源的要求不高，可以使用较便宜的发光二极管，相应地接收可采用光电二极管检测光脉冲。

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，这样的光纤被称为单模光纤。

单模光纤没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消，没有脉冲展宽问题(也就是输入脉冲和输出脉冲一样)。

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。

需要使用昂贵的半导体激光器作为光源，相应地。需要采用激光检波器检测脉冲。

4.电力线

应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。目前，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能满足要求的。对于装修时没有进行网络布线的家庭，可以采用这种方式。对于一些采用独立房间进行办公的企业来说每间办公室的电脑数量不多，而又不希望跨办公室进行布线，也可以采用这种方式。每个办公室只需根据需求，在电源插座上插入一个或多个电力猫即可。

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。中间的一段可以使用，这段频等范围的电磁波可以通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息。
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下面是国际电信联盟ITU对无线电频谱和波段的划分，从极低频到甚低频（从极长波到甚长波）这些频段并不用于电信领域。

从低频到甚高频（也就是从长波到米波），这些频段的电磁波又称为无线电波，用于国际广播、海事和航空通讯、电台广播、电视广播等。

从特高频到极高频（也就是从分米波到毫米波），这些频段的电磁波又称为微波，用于无线电话、无线网络、雷达、人造卫星接受、射电天文、人体扫描等。

1.无线电波

其中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。

?2.微波

微波通信在数据通信中占有重要地位，频率范围为300MHz~300GHz（波长1m~1mm)，但主要使用2~40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间,因此它不能经过电离层的反射传播到地面很远的地方。

传统的微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。

微波在空间主要是直线传播，地球表面是一个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右。但若采用100米高的天线塔，则传播距离可增大到100公里。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着干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。

常用的卫星通信方法是在地球站之间，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。其最大特点是通信距离远，相应地传播时延也比较大一般在250~300ms之间。

除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。
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3.红外线

很多家用电器(例如:电视、空调等)都配套有红外遥控器。以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信，红外通信属于点对点无线传输，中间不能又障碍物，传输距离短，传输速率也很低。

现在笔记本电脑已经取消了红外接口，但很多智能手机还带有红外接口。以方便用户对电视空调等家用电器进行红外遥控。

4.可见光（还在实验阶段）

LiFi可见光通信，led灯上WIFI.

无线电频谱管理机构

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。以下是无线电频谱管理机构：

2.3传输方式

串行传输是指数据是一个比特一个比特依次发送的，在发送端和接受端之间只需要一条数据传输线路。

并线传输是指一次发送n个比特而不是一个比特，在发送端和接受端之间需要有n条数据传输线路。并行传输的优点是速度为串行传输的n倍。缺点就是成本高。

远距离传输例如计算机网络是通过串行传输实现的，而计算机内部的数据传输，常采用并行传输方式。（例如CPU与内存之间通过总线进行数据传输）

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，以判别接收到的是比特0是比特1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据的过程中所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的时钟保持同步。

收发双方的时钟同步的方法：

外同步：也就是在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。

内同步：也就是发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输。例如，传统以太网所采用的就是曼彻斯特编码。

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分别加上起始位和结束位。

单工通信（单工）：又称为单向通信。通信双方只有一个数据传输方向。例如无线电广播

双向交替通信（半双工）：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。例如对讲机

全双工通信（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。例如电话

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或全双工通信，则都需要两条信道（每个方向各一条）。

2.4编码与调制

计算机需要处理和传输用户的文字，图片，音频和视频，这些可以统称为消息。数据是运输消息的实体，而计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线，而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。而基带信号又分为两类，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，可以在数字信道中传输。
例如，以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码。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称为调制。

调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。例如，WIFI使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方法。对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法

对模拟基带信号进行编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM，也就是将模拟音频信号通过采样、量化、编码这三个步骤进行数字化。

对模拟信号进行调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，例如传统的电话。另一个是频分复用FDM技术，可以充分利用带宽资源。

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成为码元。

简单来说，码元就是构成信号的一段波形。

例如，这是一个调频信号，第一段波形是构成该信号的一个基本波形，我们可称其为码元。它可以表示比特0，当然也可以表示比特1。第二段波形是构成该信号的另一个基本波形，也称为码元，它可以表示比特1，可见该信号由两种码元构成。

传输媒体与信道的关系

传输媒体和信道不能直接画等号。对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道。而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接收信道。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，常见的是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

这是采用不归零编码产生的该比特流的相应信号，正电平表示1，负电平表示0，

所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。例如，该码元在其时间内全部是正电平，而该码元在其时间内全部是负电平。

接收端如何判断出这是2个马元，而这是3个马元？这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步，那么就需要额外一根传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码源。然而，对于计算机网络，宁愿利用这个传输线来传输数据信号，而不是要传输时钟信号。因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

归零编码

每个码源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。
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。也就是说，归零编码的优点是自同步，但缺点是编码效率低。

曼彻斯特编码

如图所示，在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变，例如负跳变表示比特一（也就是向下），正跳变表示比特0（也就是向上）。码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。传统以太网使用的就是曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

如图所示，在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。与曼彻斯特的编码不同，跳变仅表示时钟。而用码元开始处电平是否发生变化来表示比特0或者比特1。

例题

基本调制方法

这是待传输的数字基带信号，也就是来自信源的原始数字信号，我们要使用模拟信道来传输，因此需要将数字基带信号通过调制方法调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。

条幅所产生的模拟信号。无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1

调频所产生的模拟信号。频率F1的波形表示比特0，频率F2的波形表示比特1

调像所产生的模拟信号。初相位0度的波形表示比特0。出相位180度的波形表示比特1。

使用基本调制方法，一个码元只能表示或者说包含一个比特信息。那么如何能使一个码元包含更多的比特呢?

可以采用混合调制的方法，因为频率和相位是相关的，也就是说频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调至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。

混合调制举例——正交振幅调制的QAM

这种调制方法所调制出的波形可以有12种相位，每种相位有一或两种振幅可选。我们可在星座图中画出该调制方法所产生的码元，该点就表示其中的一个码元，它与圆心连线的距离可看作是振幅，连线与横坐标的夹角可看作是相位。其中可以调制出16种码元，每种码元都可以对应表示4个比特。（log2 N）

因此，每个码元与4个比特的应关系不能随便定义。码元与4个比特的对应关系需要用到格雷码。

2.5信道的极限容量

1.造成信号失真的主要因素

数字信号通过实际的信道后，波形会产生失真，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。当失真严重时，在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0。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。

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。

早在1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则，他给出了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。

前面我们学习的各种调制方法调幅、调频以及调相这三种基本调制方法（下面左图）。它们属于二元调制，只能产生两种不同的码元，也就是两种不同的基本波形，因此每个码元只能携带1比特的信息量。

而混合调制属于多元调制。例如QAM-16可以调制出16种不同的码源，因此每个码源可以携带4比特的信息量。(log2 N)

那么，尽管奈氏准则限制了最高码元传输速率，但是只要采用技术更为复杂的信号调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率吗？

回答是否定的。因为在实际的信道中会有噪声，噪声是随机产生的，其瞬时值有时会很大，这会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相对于信号功率越大，影响就越大。

香农公式

例题1

?解析：

例题2?

?例题3

例题4

?例题5