计算机网络之物理层

Table of Contents

零、数据通信的基础知识

一、物理层的基本概念

二、物理层的传输媒体

三、物理层的信道复用技术

四、物理层的主要协议类型

五、物理层的通信设备

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零、数据通信的基础知识

 

1.数据通信系统的模型

模型是：两PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

 

源系统包括：①源点（source，又称源站、信源）：产生要传输的数据，如键盘输入汉字产生输出的数字比特流。②发送器：数字比特流通过发送器编码才能在传输系统中传输，典型发送器是解制器。

目的系统包括：①接收器：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。②终点（destination）：也称目的站、信宿。

传输系统可以是传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

常用术语：

通信的目的是传送消息（message），如话音、文字、图像。数据（data）是运送消息的实体。信号（signal）是数据的电气的或电磁的表现。信号分为模拟信号（或连续信号，代表消息的参数的取值是连续的）和数字信号（或离散信号，代表消息的参数的取值是离散的）。在使用时间域（或简称时域）的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同码元，即0状态和1状态。

2.有关信道的几个基本概念

信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。（和电路不等同）

三种基本方式：

①单向通信：又称单工通信，即只有一个方向的通信而无反方向的交互，如无线电广播、电视广播。   （一条信道）

②双向交替通信：又称半双工通信，即通信双方都可以发送信息，但不能同时发送（也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。（两条信道）

③双向同时通信：又称为全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。（两条信道）

注意：有时人们用“单工”表示“双向交替通信”。

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号），它含有低频和直流成分，这些是许多信道不能传输的，所以需要调制（modulation）。

调制分为：①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。变换后的信号仍是基带信号。②带通调制：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以便在信道中传输。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）。

最基本的带通调制方法：①调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。如0和1分别对应于无载波或有载波输出。②调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。如0和1分别对应于频率f1或频率f2。③调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如0或1分别对应于相位0度或180度。

为打到更高传输率，需采用技术上更为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）。

3.信道的极限容量

任何实际的信道都不理想，因为在传输信号时会产生各种失真。数字通信的优点：在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的信号，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。

 

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限制码元在信道上的传输速率的因素有：

①信道能够通过的频率范围

码间干扰：在接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限。

奈氏准则：给出了在假定的理想条件下，为了避免码间干扰，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的问题，使接收端对码元的判决（或识别）成为不可能。

如果信道频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

②信噪比

信号强，噪声影响相对小。信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，用分贝（dB）作为度量单位。

  信噪比（dB）=10log（S/N）（dB）

1948年，信息论的创始人香农（shannon）推导了香农公式：信道的极限信息传输速率C是：

      C=Wlog2（1+S/N）   （b/s）

W—信道带宽，单位Hz

S—信道内所传信号的平均功率

N—信道内部的高斯噪声功率

香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输效率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。其意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。但是，香农公式并没有告诉我们具体的实现方法。

对于频带宽度已确定的信息，如果信噪比不能再提高了，码元传输速率也达到了上限值，那还有什么办法提高信息的传输速率？这就是让每一个码元携带更多比特的信息量。

例如，假定基带信号是101011000。如果直接传送，则每一个码元携带1bit。现将3个比特编为一组，即101，011，000。3个比特有8种不同排列，可用不同调制方法来表示这样的信号。例如，8种不同振幅，8种不同频率，8种不同相位进行调制。假设用相位调制，用相位a1表示101，a2表示011，a3表示000，则原来9个码元的信号就转换为由3个码元组成的信号。也就是说，以相同速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。

然而，实际信道上的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少，这是因为信号还受其他损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真等等。而这些在香农公式中未考虑。

一、物理层的基本概念(是什么)

1.物理层的任务
 

物理层是干嘛的呢?物理层是五层协议最底下的一层,它上面所承接的是数据链路层发来的数据帧,物理层就负责把这些数据帧转化为一个个0和1,也就是数据比特流,然后在网线(底层的物理传输媒体:可能还是电缆,双绞线 光钎等等)上传递,

物理层需考虑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，而不是指具体的传输媒体。硬件设备、传输媒体种类、通信手段多样，物理层要屏蔽掉这些差异，使上面的数据链路层感受不到这些差异，这样数据链路层只管如何完成本层的协议和服务。

2.物理层的特性

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、固定和锁定装置等等。

②电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

③功能特性

指名某条线上出现的某一电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。

数据在计算机中是并行传输，但在通信线路上是串行传输（经济考虑，逐个比特按照时间顺序传输），因此物理层还要完成传输方式的转换。
 

二、物理层的传输媒体(用什么传)

也称为传输介质或传输媒介，可分为导向传输媒体和非导向传输媒体。导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固定媒体（铜线或光纤）传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，常称无线传输。

1.导向传输媒体

⑴双绞线

也称双纽线，把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则方法绞合（twist）起来就构成了双绞线。绞合可减少相邻导线的电磁干扰。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）。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，通信距离越远，越贵。

为提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线STP（shielded twisted pair）。它的价格比无屏蔽双绞线UTP（unshielded teisted pair）贵。

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无论是哪种类别的线，衰减都随频率的升高而增大，使用更粗的导线可以降低衰减，但增加了导线的价格和重量。线对之间的绞合度（单位长度内的绞合次数）和线对内两根导线的绞合度都必须经过精心设计，并在生产中严格控制，使干扰在一定程度上抵消。

在设计布线时，要考虑到受到衰减的信号应当有足够大的振幅，以便在有噪声干扰的条件下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线究竟能够传送多高速率（Mb/s）的数据还与数字信号的编码方法有很大的关系。

⑵同轴电缆

由内导体铜质芯线（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（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

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局域网发展初期，广泛使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术进步，在局域网基本上是采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已经接近1GHz。

⑶光缆

光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10^8MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

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。纤细很细，包层较纤芯有较低的折射率。当光线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，入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射纤芯。这个过程不断重复，光就沿着光纤传输下去。

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上图：只画了一条光线，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，就可以发生全反射。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。这种光纤就称为多模光纤。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。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输，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰弱较小，在2.5Gb/s的高速路下可传输数十公里而不必采用中继器。

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由于光纤非常细，所以必须做成很结实的光缆，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可以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，就可以满足工程施工的强度要求。

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优点：①传输损耗小，可远距离。②抗雷电和电磁干扰性好，可在大电流脉冲干扰的环境下使用。③无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。④体积小，重量轻。⑤通信容量大。

缺点：要将两根光纤精确地连接需要专用设备，通过T形接口连接到计算机。

T形接口有两种：

①无源的

可靠。里面有一个光电二极管（供接收用）和一个发光二极管LED（供发送用），都熔接在主光纤上，即使它们出现故障，也会使连接的计算机处于脱机状态，而整个光纤网还是连通的。由于在每一个接头处光线会有些损失，因而整个光纤环路的长度受到了限制。

②有源的

有源的T形接头实际上就是一个有源转发器。进入的光信号通过光电二极管变成电信号，再生放大后，再经过发光二极管LED变成光信号继续向前传送。利用有源转发器使得每两台计算机之间的距离可长达数公里。缺点：一旦T形接头出了故障，整个光纤环路即断开不能工作。现在纯光的信号再生器也已开始使用。由于不需要进行光电和电光的转换，因此其工作带宽大大增加。

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注：导向传输媒体中，还有一种是架空明线（铜线或铁线）。安装简单但通信质量差（环境影响大），目前我国农村和边远地区还在用。

2.非导向传输媒体

通信线路要通过一些高山或岛屿时，导向传输媒体很难施工。

短波通信（高频通信）主要是靠电离层的反射。但电离层的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（指同一个信号经过不同的反射路径到达同一个接收点，但各反射路径的衰减和时延都不相同，使得最后得到的合成信号失真很大），使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般是低速传输，只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的速率达到几千比特/秒。

无线电微波通信：微波在空间主要是直线传播，它会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。

地面微波接力通信：由于微波在空间中直线传播，而地球表面是曲面，传播距离受限制，一般只有50km左右，若用天线塔则可增大到100km。为实现远距离通信必须在一条无线电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，故称为“接力”。

优点：

①微波波段频段很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。

②因为工业干扰和天线干扰的主要频谱成分比微博频率低很多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小很多，因而微波传输质量较高。

③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：

①相邻站之间必须直视，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。

②微波的传输有时受恶劣气候的影响。

③与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。

④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：常用的是人造同步地球卫星。最大特点是通信距离远。它和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号受到的干扰小，通信稳定。具有较大的传播时延，但这并不代表“用卫星信道传送数据的时延较大”，因为传送数据的时延还有传输时延、处理时延、排队时延。因覆盖面广所以适用于广播通信，但保密性差。

红外通信、激光通信

三、物理层的信道复用技术(怎么样更有效的传)
 

1.频分复用、时分复用和统计时分复用

 

复用的示意图

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。所有用户在同样时间占用不同的带宽资源。

时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的间隙。每一个用户所占用的间隙是周期性出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此，TDM信号也称为等时（isochronous）信号。时分用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

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两种方法优点：技术成熟。缺点：不够灵活。时分复用更有利于数字信号的传输。

用户数增加时，频分复用的信道的总带宽会增加。但是时分复用里，每一个时分复用帧长度不变，时隙宽度变窄，时隙宽度非常窄的脉冲信号所占的频谱范围也是非常宽的。

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从上图看出，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致了复用后的信道效率利用率不高。

统计时分复用STDM（statistic TDM）：

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工作原理：每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器的用户数，各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。

可提高线路的利用率。在输出线路上，某一个用户所占用的时隙不是周期性出现，因此统计复用又称为异步时分复用。普通的叫同步时分复用。

假定所有用户都不间断向集中器发送数据，那集中器难以应付，它内部缓存会溢出，所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

由于STDM帧中的时隙不是固定分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息。使用统计时分复用的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（但大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特），通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外，许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。

强调：TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的“帧”，这种“帧”和数据链路层的“帧”是完全不同的概念。

2.波分复用（WDM，wavelength division multiplexing）

即光的频分复用。光纤速率高，一根单模光纤的传输速率可达2.5Gb/s，再提高很难。如果解决色散（dispersion）问题（色散即光脉冲中不同频率的分量的传输速率不同，这导致信号的失真因而产生误码。当传输速率增高时，色散问题就越来越严重。）

由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波，这就有了波分复用的名词。还有密集波分复用。

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解释：8个波长很接近的光载波经过光复用器（也称合波器）后，就在一根光纤中传输。因此速率是8倍。但光信号传输了一段距离后会衰减，因此对衰减了的光信号必须先放大才能继续传输。这就需要掺铒光纤放大器EDFA（erbium doped fiber amplifire）。它不需要像以前那样，先把光信号转换成电信号，经过电放大器放大后，再转换成光信号。它是直接对光信号进行放大，并在1550nm波长附近有35nm频带范围提供比较均匀的、最高可达40～50dB的增益。两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km，而光复用器和光分用器（又称分波器）之间的无光电转换的距离可达600km（只需放入4个光纤放大器）。而在使用波分复用技术自己光纤放大器之前，要在600km的距离传输20Gb/s，需要铺设8根速率为2.5Gb/s的光纤，而且每隔35km要用一个再生中继器进行光电转换后的放大，并再转换为光信号（这样的中继器总共需要有128个多）。

3.码分复用CDM（code division multiplexing）

是一种共享信道的方法。或称为码分多址CDMA（code division multiple access），每一个用户可以在相同的时间使用同样的频带进行通信。由于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。价格和体积下降。

工作原理：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。以下例子设为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）。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8 bit 码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，发送0时就发送11100100。按惯例，将0写为—1，将1写为+1。则S站码片序列为（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1）。

假定S站要发送信息的数据率为b b/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb b/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。扩频通信有两类：直接序列扩频DSSS（direct sequence spread spectrum）和跳频扩频FHSS（frequency hopping spread spectrum）。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须互相正交（orthogonal）。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

这种正交关系是：令向量S表示站S的码片向量，再令T表示其他任何站的码片向量。正交是指向量S和T的规格化内积（inner product）都是0：

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例如，向量S为（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1），向量T为（—1 —1 +1 —1 +1 +1 +1 —1），这相当于T站的码片序列为00101110。这两个码片序列正交。不仅如此，向量S和各站码片反码的向量的内积也是0。另外，任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1：

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而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是—1。这从上式可看出。

假定在一个CDMA系统中有很多站都在相互通信，每一个站所发送的是数据比特和本站的码片序列的乘积，因而是本站的码片序列（相当于发送比特1）和该码片序列的二进制反码（相当于发送比特0）的组合序列，或什么也不发送（相当于没有数据发送）。我们还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。利用全球定位系统GPS就不难做到这点。

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面两个公式和叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系），那么求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0），而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1，当S站发送比特0时，内积的结果是—1。

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解释图：S站要发送的数据是1 1 0三个码元。CDMA将每一个码元扩展为8个碎片，而S站选择的码片序列为（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1）。S站发送的扩频信号为Sx（只包含互为反码的两种码片序列）。T站选择的码片序列为（—1 —1 +1 —1 +1 +1 +1 —1），也发送1 1 0三个码元，T站扩频信号为Tx。因所有的站都使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。本例中，所有的站收到的都是叠加的信号Sx+Tx。

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列的与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算S*Sx和T*Tx。显然，S*Sx就是S站发送的数据比特，因为在计算规格化内积时，各项或者都是+1，或者都是—1。而S*Tx一定是零，因为相加的8项中的+1和—1各占一半，因此总和一定是零。

四、物理层的主要协议类型(有哪些协议)

 

用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。

五、物理层的通信设备(有哪些设备)

 

可以参考https://www.bilibili.com/video/av34083775?from=search&seid=5616525866533241675
              https://blog.youkuaiyun.com/gongda2014306/article/details/52442981