物理层

第二章 物理层

1. 通信基础

1.1 概念

1.1.1 四个特性

• 物理层解决如何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。
• 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
4. 规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

1.1.2 数据通信术语

• 通信的目的：是传送消息

• 数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

• 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。

• 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。

• 信源：产生和发送数据的源头。

• 信宿：接收数据的终点 。

• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，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。信道的传输的单向的，双工通信需要两条信道

• 传输信号：模拟信号、数字信号
• 传输介质：无线信道、有线信道

1.1.3 三种通信方式

• 详情见第一章

1. 单工通信
2. 半双工通信/双向交替通信
3. 全双工通信/双向同时通信

1.1.4 两种数据传输方式

1. 串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。

   • 速度慢，费用低，适合远距离

2. 并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。

   • 速度快，费用高，适合近距离

1.1.5 同步、异步传输

1. 同步传输：有规律的传输。以一个数据区块为单位，同步传输又称为区块传输。 在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
2. 异步传输：无规律的传输。异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送，而接收方不知道什么时候接收。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

1.1.6 码元、速率、波特、带宽

• 数据元素：即位（bit）；信号元素：承载bit的载体

1. 码元（信号元素）：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2）， 此时码元为M进制码元。
2. 速率：也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。

• 码元传输速率: 别名码元速率、波形率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。
• 信息传输速率: 别名数据传输速率、信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数）， 单位是比特/秒（b/s）。
• 关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

3. 带宽

• 模拟信号系统中：最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的带宽。单位为赫兹(Hz)。
• 数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。 单位是比特每秒(bps)

1.2 奈奎斯特定理与香农定理

1.2.1 传输减损

• 信号通过介质进行传输，但是其传输并非是完美无缺的；
• 不完美的地方导致了信号减损，这意味着信号在介 质的开始一端和结束一端是不相同的，接收到的信号并非就是发出的信号；
• 通常会发生三种类型的减损：衰减、失真和噪声。

衰减

• （失去一些能量克服介质的阻抗，发热）

失真

• 影响失真的因素: 1.码元传输速率; 2.信号传输距离; 3.噪声干扰; 4.传输媒体质量

• 失真的现象——码间串扰

• 码间串扰: 接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

1.2.2 奈奎斯特定理

• 奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。log2V为表示电平的位数

• 2Wlog2V = Blog2V // B为码元速率

  注意：增加信号电平数会增加接收方的负担，减弱系统的可靠性。

1.2.3 香农定理

• 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

• 香农容量公式给出数据速率的上限，奈奎斯特定理给出所需的信号电平数

1.3 编码与调制

1.3.1 基带信号与宽带信号

1. 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。 来自信源的信号，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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
2. 宽带信号（频带信号）：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输或频带传输）。 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅 在一段频率范围内能够通过信道）。

• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

1.3.2 基线与基线偏移

1. 基线：解码数字信号时，接收方计算收到信号功率的运行平均值。输入信号的功率会与基线比较来确定数据元素的值；
2. 基线偏移：指基线随时间定向的缓慢变化。0或者1的长字串会引起基线偏移，使得接收方不能正确地进行解码

1.3.3 自同步

• 为了正确解释发送方的信号，接收方的位间隔与发送方的位间隔必须严格对应与匹配；
• 自同步数字信号在传输的数据中包含有定时信息；
• 通常使用信号中包含有提示接收方起始、中间和结束位置的脉冲的跳变完成自同步

1.3.4 编码与调制

1.3.5 线路编码与位序列

• 线路编码是将数字数据转换为数字信号的过程；
• 数据在计算机中以位序列形式存放，在发送端，数字数据被编码成数字信号，在接收端解码数字信号重新生成原数字数据

1.3.6 数字数据编码为数字信号

• 王道34页，记忆后默写，注意王道上面的是标准曼彻斯特编码，考试使用的是曼彻斯特编码，所以下图需要修改

• 4B/5B编码方案解决了NRZ-I的同步问题， 但是它增加了NRZ-I的信号速率，冗余位增 4.39 但是它增加了NRZ-I的信号速率，冗余位增 加20%的波特，也没有解决NRZ-I的DC成分问题
• AMI编码

1.3.7 模拟数据编码为数字信号

1.3.8 数字数据调制为模拟信号

• 调幅：长短； 调频：宽窄； 调相：形状

1.3.9 模拟数据调制为模拟信号

• 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

1.4 电路交换、报文交换、分组交换

1.4.1 电路交换

1. 原理：在数据传输期间，源结点与目的结 点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束 之前，这条线路一直保持。
2. 特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。
3. 优缺点：

1.4.2 报文交换

1. 报文：是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的 完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。
2. 原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式
3. 优缺点：

1.4.3 分组交换

1. 分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组

小数据块+控制信息（源和目的地址、编号）=分组

2. 原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、 存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文
3. 优缺点：

1.4.4 三种交换方式的选择

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时， 采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

1.5数据报与虚电路

• 无连接数据报，有连接虚电路。两种方式都由网络层提供。注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式

1.5.1 数据报

• 特点：

1. 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
2. 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失。
3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号。
4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信。

1.5.2 虚电路

• 虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立， 都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。
• 特点：

1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的 地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分 组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
3. 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择。
4. 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对 两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
5. 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

1.5.3 数据报与虚电路的比较

2. 传输介质

• 传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为 0层。

• 传输介质：

1. 导向性传输介质：铜线、光纤
2. 非导向性传输介质：空气、海水

2.1 导向性传输介质

2.1.1 双绞线

• 双绞线防止电磁干扰
• 对于模拟传输，使用放大器避免信号衰减；对于数字传输，使用中继器避免信号失真
• 用途：

1. 用于电话线路，提供语音和线路的通道
2. 用于局域网

2.1.2 同轴电缆

• 同轴电缆比双绞线传输频率更高，抗干扰性更好，传输距离更高，价格更贵
• 每隔一段距离使用中继器避免信号衰减过快

2.1.3 光纤

• 光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

2.2 非导向性传输介质

3. 物理层设备

3.1 中继器

1. 中继器的功能： 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。对数字信号的衰减进行还原
2. 中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。 中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发）

3.2 集线器

• 集线器的功能： 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作 状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
• 主机平分带宽

4. 多路复用

1. 频分多路复用（FDM）

2. 时分多路复用（TDM）

   • 异步时分多路复用（STDM）：动态分配时隙

3. 波分多路复用（WDM）

4. 码分多路复用（CDM）

考点加强记忆

1. 传统以太网采用广播形式发送消息，通信方式是半双工
2. 同轴电缆比双绞线的传输速率更快，得益于同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性
3. 光纤不受电磁干扰和噪声影响
4. 多模光纤传输光信号的原理是光的全反射特性
5. 中继器的原理是将衰减的信号再生，而不是放大，但是中继器和集线器都有放大信号的能力。
6. 集线器本质上是一个多端口的中继器
7. 如果某个网络设备具有存储转发的能力，那么可以认为它能连接两个不同的协议
8. 放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号
9. 互相串联的只能有5段通信介质，4个中继器，3台主机
10. 集线器在网络上的拓扑结构是星型
11. 物理层设备不能连接具有不同数据链路层协议的网段
12. 在物理层互联，数据传输速率必须相同，数据链路层协议可以不同；在数据链路层互联，数据传输速率和数据链路层协议都必须相同
13. 虚电路只在建立时需要进行路由选择
14. 计算机网络属于分组交换，一般使用储存转发方式
15. 曼彻斯特编码将时钟和数据取值都包含在信号中
16. 码元、电平

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