考研408计算机网络----第二章 物理层

一、通信基础

1. 通信基础的基本概念

物理层任务：实现相邻节点之间比特（0 或 1）的传输

信源：信号的来源（数据的发送方）

信宿：信号的“归宿”（数据的接收方）

信道：信号的通道

注：一条物理线路通常包含两条信道（发送信道、接收信道）

信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式，是数据的载体

数据 和 信号 都有 模拟 或 数字 之分

数字信号（数字数据）：信号值是离散的

模拟信号（模拟数据）：信号值是连续的

可作为信号的物理量：如 电压、电磁波

k进制数：一个固定时长的信号波形 表示 一个k进制数

码元（k进制码元）：每一个信号就是一个码元

1码元可携带若干比特的信息量

1个k进制码元，恰好能表示k种不同的状态，其携带的信息量为 log₂k (bit)

Ex：

如果一个码元（即 一个信号）可能有4种状态，那么可称其为4进制码元（一个码元携带2bit数据）

如果一个码元（即 一个信号）可能有8种状态，那么可称其为8进制码元（一个码元携带3bit数据）

Ex：

二进制（k=2）码元，只有0、1两种状态，1个二进制码元携带1bit信息

四进制（k=4）码元，有0、1、2、3四种状态，1个四进制码元携带2bit信息，相当于2个二进制码元的信息量

Ex：

在一个信号周期内可能出现2个信号，每个信号对应一个二进制数（1bit）

在一个信号周期内可能出现4个信号，每个信号对应一个四进制数（2bit）

Ex：下图就是 用模拟信号设计四进制码元

（2V->00->0 1V->01->1 -1V->10->2 -2V->11->3）

码元宽度（信号周期）：信号完成一次完整重复所需要的时间

在数字通信中，如果传输的是 单个k进制码元（即 信号只包含一种k进制状态的重复），那么：

信号周期 T，就等于 这个k进制码元的宽度

k进制码元 本身的持续时间 是 固定的，而这个固定时长，同时也是（单个码元重复时）信号的周期

Ex：二进制，k = 2

二进制码元只有 0 、1 两种状态

假设传输“0”这个码元时，电压保持低电平的固定时长是 1ms（这就是码元宽度）

如果信号一直重复传输“0”，那么信号的周期T就是 1ms——因为 每过 1ms，信号就会重复一次“0”的状态

通信双方信息的交互方式

单向通信：只有一个方向的通信，而没有反方向的交互（如：无线电广播、电视广播）

半双工通信：通信双方 都可 发送或接收 信息，但任何一方都 不能同时 发送和接收 信息

全双工通信：通信双方可同时发送和接收信息

单向通信 只需要 一个信道；半双工通信 或 全双工通信 都需要 两个信道，每个方向一个信道

数据传输方式

串行传输：逐比特地 按序 依次传输（适用于 长距离传输，如 计算机网络）

并行传输：若干比特 通过 多个通信信道同时传输（适用于 短距离传输，常用于计算机内

                  部，如 CPU 与 主存 之间）

2. 信道的极限容量

两个节点间的数据传输速率分为：波特率 和 比特率

波特率（码元传输速率，调制速率）：每秒传输几个码元，单位：码元/s 或 波特(Baud)

比特率（信息传输速率）：每秒传输几个比特，单位：bit/s 或 b/s 或 bps

Ex：若一个码元 携带 n bit 的信息量，则 波特率 M Baud 对应的 比特率 为 Mn b/s

噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输速率

带宽：信道允许通过的 信号频带范围（即 最高频率 与 最低频率 之差），单位 ：Hz

奈奎斯特定理（奈氏准则）：对于一个 理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），

极限波特率 = 2W （单位：波特，即 码元/s）

W ：信道的频率带宽（单位：Hz）

即：无噪声情况下，信道的极限波特率 = 2W （单位：波特，即 码元/s）

无噪声情况下，信道的极限比特率 = 2W * log₂k （单位： b/s）（k:码元个数）

Ex：如果一个信号周期内可能出现8种信号，那么 1码元 携带 3bit数据，极限比特率 = 2W * 3 = 6W b/s

奈奎斯特定理说明

• 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即 接收方无法识别码元
• 带宽越大，信道传输码元的能力越强
• 奈奎斯特定理 并未对 一个码元最多可以携带多少比特 做出解释

香农定理：

上图所示的 极限比特率 可以理解为 极限数据传输速率

使用 香农定理时，信噪比 应采用 无单位记法

信噪比的两种表示：

信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小

香农定理说明

• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率
• 结合 奈奎斯特定理 和 香农定理，可知，在 带宽、信噪比 确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

3. 编码和调制

3.1. 编码&解码、调制&解调

变换器：将 二进制数据 转化为 信号

反变换器：将 信号 转换为 二进制数据

若此时，变换器 负责 编码 ，则 称为 编码器；反变换器 负责 解码，则 称为 解码器

3.2. 常用编码方法

不归零编码（NRZ）：低 0 高 1，中不变

中不变：在信号周期的中间，不会发生改变

归零编码（RZ）：低 0 高 1，中归零

归零信号作用：让 数据的接收方 和 数据的发送方 作为 时钟 来使用

时钟信号作用：让数据的发送方和接收方保持相同的节奏（Ex：假设我们规定

每个信号周期等于1ms的时间，如果没有时钟周期，接收方和发送方的1ms可能会有误差）

反向非归零编码（NRZI）：看信号周期起点，跳 0 ，不跳 1，中不变

NRZI：Non-Return-to-Zero Inverted

信号周期：

信号周期起点：竖着的虚线 与 横着的线 的 交点

曼彻斯特编码：上跳 0，下跳 1 或 下跳 0，上跳 1，看中间，中必变

------------------在 408 考试中，上跳 0，下跳 1------

曼彻斯特编码的两种标准：

G.E. Thmos 发明了曼彻斯特编码，下跳 0，上跳 1；后来，IEEE组织，规定，上跳 0，下跳 1

以太网 默认使用 曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码：看信号周期起点，跳 0，不跳 1，中必变

反向非归零编码 与 差分曼彻斯特编码 的 区别：前者 中间不变，后者 中间必变

3.3. 各种编码特点

自同步能力：信源 和 信宿 可以根据信号完成“节奏同步”，无需时钟信号

在信号周期中间进行跳变，可以当作 时钟周期 使用

3.4. 常用调制方法

基带信号（Baseband Signal）：未经过 调制 处理，直接承载原始信息的电信号

原始信息 -> 基带信号 -> 调制信号 流程

原始信息：如 语音（麦克风输出的声电信号）、文字（键盘输入的二进制代码）、图像

（摄像头采集的像素电信号）

基带信号：将原始信息转换为的电信号（如 语音直接转换的模拟电信号、文字对应的二进

制数字电信号）

调制信号：若需要远距离传输，需将基带信号“搭载”在高频载波上（即 调制），形成可

通过信道（如 空气、电缆）传输的信号

正交幅度调制（QAM）：将 AM、PM 结合，形成叠加信号

若设计 m种幅值、n种相位，则 将AM、PM 信号 两两“复合”，可调制出 mn 种 信号，则 QAM 1码元 = log₂ mn bit

与 振幅 和 相位 有关，与 频率 无关

注意：几个幅值 = 几个码元

二、Transmission Medium

传输介质：数据传输系统中 发送器 和 接收器 之间的 物理通路

1. 导向型 与 非导向型 区别

导向型传输介质：信号的传输路径被物理介质明确约束和引导，只能沿 介质内部 或 表面

                             的固定路径 传播，不会随意扩散到 周围的环境中

                             如：铜线、光纤

非导向型传输介质：信号无需物理传输介质，直接在自由空间（如 空气、真空）中传播，传

                                输方向呈扩散性

                                如 无线电波、红外线、激光

2. 有线传输介质

2.1. Twisted Pair

主要构成：两根导线相互绞合而成

有屏蔽层 = 屏蔽双绞线（STP，S ：Shielded）

没有屏蔽层 = 非屏蔽双绞线（UTP，U：Unshielded）

抗干扰能力：较好（绞合、屏蔽层 可以提升 抗电磁干扰能力）

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示例：网线内部包含4组双绞线

绞合 = 麻花状； 屏蔽层 = 在麻花外面套一层“金属丝袜”

代表应用：近些年的局域网、早期的电话线

2.2. 同轴电缆

主要构成：内导体（用于传输信号）+ 外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）

抗干扰能力：好（屏蔽层带来良好的抗干扰性）

代表应用：早期局域网、早期有线电视

内导体越粗，电阻越低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

示例：

2.3. Optical Fibre

主要构成：纤芯（高折射率）+ 包层（低折射率）

利用 光的全反射 特性，在 纤芯内 传输 光脉冲信号

分类：

单模光纤：只有一条光线在一根光纤传输，适合长距离传输，信号传输损耗小

多模光纤：多条光线在一根光纤内传输，适合短距离传输，远距离传输光信号容易失真

抗干扰能力：非常好（光信号对电磁干扰不敏感）

其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少；很细很省布线空间

2.4. 命名规则

2.5. 总结

双绞线 -> 同轴电缆 -> 光纤

从左到右：抗干扰能力依次增强，信号传输损耗依次降低

3. 无线传输介质

3.1. 无线电波

特点：穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱（信号是朝四面八方扩散的）

如：手机信号、WIFI

Ex：wifi信号频率约为 2.4GHz

3.2. 微波通信（短波通信）

特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差（容易被窃听）

如：卫星通信（卫星作为信号中继器，传播时延较大）

注：卫星通信属于短波（或 微波）通信

Ex：高速卫星信号频率约为 40GHz

3.3. 总结

长波 更适合 长距离、非直线通信

短波 更适合 短距离、高速通信；若用于 长距离通信，需建立 中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源

三、物理层接口特性

机械特性：指明 接口 所用接线器的 形状 和 尺寸、引脚数目、排列、固定、锁定装置 等

电气特性：指明 接口电缆 的各条线上出现的 电压的范围、传输速率、距离限制 等

功能特性：指明 某条线上出现的 某一电平 的 电压 的 含义

过程特性（规程特性）：指明 对于 不同功能的 各种可能性事件的 出现顺序

四、物理层设备

1. Repeater

主要功能：放大、整形 并 转发信号，以消除 信号 经过一长段电缆后 产生的 失真 和 衰

减，使 信号的 波形 和 强度 达到所需要的 要求，进而扩大 网络传输的距离

原理：信号再生（而非 简单地放大 衰减的信号）

中继器只有 两个端口，通过一个端口接收信号，将 失真信号整形再生，并转发至另一个端口（信号再生 会产生 一些时延）

端口 仅作用于 信号的电气部分（不管 是否有错误数据）

仅支持 半双工通信（两端连接的节点 不可同时发送数据，会导致“冲突”）

中继器两个端口对应两个“网段”

工作示例：

物理层“电气特性”规定——0.5~1.5V 是 低电平，4.5~5.5V 是 高电平，不符合此标准的信号视为无效。中继器接收到信号后，会将低电平整形为 1V，将高电平整形为 5V，然后再输出

中继器 和 放大器

都起放大作用，区别：放大器 放大的是模拟信号，其原理为 放大衰减的信号；而 中继器放大的是 数字信号，其原理为 整形再生衰减的信号

2. Hub

2.1. 介绍

本质上是 多端口中继器，集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口

Hub 在网络中 只起 信号放大和转发 作用，目的是 扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，是 标准的共享式设备

各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”

集线器的N个端口对应N个“网段”，各网段属于同一个“冲突域”

2.2. 冲突域（碰撞域）

冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两台主机处于同一个 "冲突域"

信道争用：处于同一冲突域的主机在发送数据前，需要进行“信道争用”

当用一个集线器连接多个节点后，所有结点会处于同一个冲突域

------------------结论：集线器不能分割“冲突域”

-------------------------在408考试中，表示 集线器的图标 通常是 立方体 加 一个箭头

-------------------------在408考试中，以太网交换机的图标 通常是 立方体 加 多个箭头

---------------- 以太网交换机可以分割“冲突域”

3. 特性

1. 集线器、中继器 不能“无限串联”——如：10Base5 的 5-4-3原则

5-4-3 原则：使用 集线器（或 中继器）连接 10Base5网段时，最多只能串联 5 个网段，

使用 4 台集线器（或 中继器），只有 3 个网段可以挂接计算机

2. 集线器 连接的网络，物理上是 星型拓扑，逻辑上是 总线型拓扑

3. 集线器 连接的各网段“共享带宽