计算机网络 第二章（物理层）

参考教程：2.1 物理层的基本概念_哔哩哔哩_bilibili

一、物理层的基本概念

1、计算机网络体系结构中的物理层

（1）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，也就是要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传输比特流的服务（所谓“透明”指的是数据链路层无法看见也无需看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0和1的）。

（2）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。

（3）由于传输媒体的种类众多，物理连接方式也很多，因此物理层协议的种类就比较多，每种物理层协议都包含了下述四个任务的具体内容。

2、物理层的主要任务

（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列顺序、固定和锁定装置。

（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上电气出现的电压的范围。

（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电特性平的电压表示何种意义。

（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层，它可分为两类：导引型传输媒体、非导引型传输媒体。

1、导引型传输媒体

电磁波被导引沿着固体媒体（导引型传输媒体）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。

（1）同轴电缆：

①基带同轴电缆（50Ω）：用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。

②宽带同轴电缆（75Ω）：用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。

③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，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

（2）双绞线：

①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排放在一起，然后按照一定规则绞合起来就构成了双绞线。

②无屏蔽双绞线UTP电缆中，不同颜色的线分别和白色线绞合，其中绞合的作用为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。

③屏蔽双绞线STP电缆比无屏蔽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。

（3）光纤：

①由于光纤非常细，因此必须将它做成很结实的光缆。

②一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可以大大提高机械强度，必要时还可放入远供电源线，最后加上包带层和外护套就可以使抗拉强度达到几干克。

③光缆的参数：

[1]纤芯直径：多模光纤的纤芯直径为50微米或62.5微米，单模光纤的纤芯直径为9微米。

[2]包层直径：125微米。

[3]工作波长：0.85微米（衰减较大）、1.30微米（衰减较小）、1.55微米（衰减较小）。

④光纤的优点：

[1]通信容量大（25000~30000GHz）的带宽。

[2]传输损耗小，远距离传输时更加经济。

[3]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。

[4]无串音干扰，保密性好，不易被窃听。

[5]体积小，重量轻。

⑤光纤的缺点：

[1]割接需要专用设备。

[2]光电接口价格较贵。

⑥光在光纤中传输的基本原理：

[1]在发送端可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源，在接收端可以采用光电二极管或激光检波器检测光脉冲。

[2]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会纤芯，该过程反复进行，光也就沿着光纤传输下去（光在纤芯中传输的方式是不断地全反射）。

[3]实际上，只要从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，这种光纤就是多模光纤。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），因此多模光纤只适合近距离传输，不过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，可使用光电二极管检测光脉冲。

[4]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，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，也不会有脉冲展宽的问题。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，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光脉冲。

（4）电力线：

应用电力线传输信号最早的实例是电力线电话。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，也可以采取这种方式。

2、非导引型传输媒体

非导引型传输媒体指的是自由空间，电磁波可以通过在自由空间中传播来传送数据信息，可使用的电磁波有无线电波、微波、红外线、可见光。

（1）从极低频到甚低频，也就是从极长波到甚长波，这些频段并不用于电信领域。

（2）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。无线电波中的低频和中频频段主要利用地面波进行传输，高频和甚高频频段主要靠电离层的反射传输。

（3）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、人造卫星接收、射电天文、人体扫描等。

①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。

②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上很远的地方。

③传统的微波通信主要有两种方式：

[1]地面微波接力通信：由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右，但如果采用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。

[2]卫星通信：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，实现微波接力通信，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。

（4）红外线也可以传送数据信息，红外通信属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率低。

三、传输方式

1、串行传输和并行传输

（1）串行传输是指数据时一个比特接一个比特依次发送的，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。

（2）并行传输是指一次发送多个比特，因此在发送端和接收端之间需要多条数据传输线路。并行传输的优点是速度为串行传输的数倍，缺点是成本高，且数据在传输过程中易受干扰。

（3）在计算机网络中的数据传输采用的是串行传输，在计算机内部的数据传输常采用并行传输。（远距离传输常采用串行传输，近距离传输常采用并行传输）

2、同步传输和异步传输

（1）采用同步传输方式，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还是比特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，实现收发双方时钟同步的方法主要有两种：

①外同步：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。

②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）。

（2）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（也就是字节之间异步），接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步（各比特的持续时间相同），为此通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

3、单工、半双工以及全双工通信

（1）单工通信又称为单向通信，通信双方只有一个数据传输方向，只需要一条信道。

（2）半双工通信又称为双向交替通信，通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行，需要两条信道（每个方向各一条）。

（3）全双工通信又称为双向同时通信，通信双方可以同时发送和接受信息，需要两条信道（每个方向各一条）。

四、编码与调制

1、消息变成信号的过程

（1）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，它们可以统称为消息，而数据是运送消息的实体。

（2）计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1，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，也就是说信号是数据的电磁表现。

（3）由信源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号分为两类：

①数字基带信号，例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号。

②模拟基带信号，例如麦克风收到声音后产生的音频信号。

（4）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。

①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，这个过程称为编码，编码后产生的信号是数字信号，可以在数字信道中传输。

②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，这个过程称为调制，调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。

③对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法。

2、传输媒体与信道

（1）对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道，可以是发送信道或者是接收信道；对于半双工传输和全双工传输，传输媒体中包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接收信道。

（2）如果使用信道复用技术，一条传输媒体可以包含多个信道。

3、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称为码元，简单来说，码元就是构成信号的一段波形。（下图所示是一个简单的例子，并不是说一个码元只能包含一个比特）

4、常用编码

（1）采用不归零编码产生比特流信号：

①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，下图所示的例子中正电平表示比特1，负电平表示比特0。

②该种编码方式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，这样遇到连续相同的码元时，接收方才能精准判断码元的个数并接收，不过对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号也不用来传输时钟信号，所以由于该种编码需要解决同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

（2）采用归零编码产生比特流信号：

①每个码元传输结束后信号都要“归零”（也就是零电平），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。

②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。

③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，这导致编码的效率有所下降。

（3）采用曼彻斯特编码产生比特流信号：

①在每个码元时间的中间时刻信号都会发生跳变，下图所示的例子中负跳变表示比特1，正跳变表示比特0。

②码元中间时刻的跳变既表示时钟又表示数据。

（4）采用差分曼彻斯特编码产生比特流信号：

①在每个码元时间的中间时刻信号都会发生跳变，但是与曼彻斯特编码不同，跳变仅表示时钟。

②用码元开始处电平是否发生变化来表示数据，下图所示的例子中有变化表示比特0，没变化表示比特1。

5、调制方法

（1）基本调制方法：

①基本调制方法有调幅、调频、调相三种。

②1个码元只能包含1个比特信息。

③如果想使1个码元包含更多的比特，可以采用混合调制方法。

（2）混合调制方法：

①因为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。

②通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制（不同的相位和振幅通过排列组合，可以表示不同的码元），称为正交振幅调制QAM。

五、信道的极限容量

1、失真与码间串扰

（1）信号在传输过程中难免产生失真，当失真严重时，输出端没办法根据失真波形还原出发送的码元，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。

（2）与失真有关的因素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。

2、奈氏准则

（1）奈氏准则指出，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。

（2）码元传输速率是单位时间内传输的码元个数，理想低通信道的最高码元传输速率 =2W Baud =2W 码元/秒，理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud =W码元/秒，其中W为信道带宽（单位为Hz），Baud为波特（即码元/秒）。（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数值）

（3）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：

①当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。

②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。（数据传输速率=波特率×每个码元所携带的信息量）

（4）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（混合调制可以实现）。当然，尽管可以设法让码元携带更多的比特，但是信道的极限信息传输速率还受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比，因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。

3、香农公式

（1）该公式用于计算带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

（2）公式如下：

C：信道的极限信息传输速率（单位:b/s）

W：信道带宽（单位: Hz）

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（dB）作为度量单位

（3）从香农公式可以看出，信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

（4）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。

（5）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。