计算机网络第2章（物理层）

一、物理层的基本概念

• 在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多。可以分为两类：一类是导引型传输媒体、另一类是非导引型传输媒体。
• 计算机的物理层，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”是指数据链路层看不见，也不需要看见，物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0和1的。数据链路层只管享受物理层提供的比特流传输服务即可 。
• 物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，物理层协议主要有以下四个任务：机械特性、电气特性、功能性特性以及过程性特性。
  

二、物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，他就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体课分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体
• 传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。如果非要将它添加到体系结构中，那只能将其放置到物理层之下。
• 传输媒体可分为两类：导引型和非导引型传输媒体
  

2.1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体传播。

1. 同轴电缆

• 可以看出各层都是共园心的，也就是同轴心的，这就是同轴电缆名称的由来。
  

2. 双绞线

• 最古老又常用的的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按着一定规则绞合起来就构成了双绞线。
• 屏蔽双绞线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

• 由于光纤非常细，因此必须将他做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十之数百根光纤。再加上加强芯和填充物就可以大大提高机械强度。必要时还可以放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几千克，可以满足工程施工强度要求。
  
• 光在光纤中传输的基本原理：纤芯是由非常透明的石英玻璃拉成的细丝。
• 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来检测光脉冲。

• 多模光纤
  可以存在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。
  
• 单模光纤
  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。这样的光纤称为单模光纤。
  

4. 电力线

• 应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。
• 目前如果构建家庭高性能局域网，若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，电脑数量不多，又不希望跨办公室进行布线，也可以采用这种方式。只需在电源插座插入一个或者多个电力猫即可。
  

2.2非导引型传输媒体

• 非导引型传输媒体是指自由空间。
• 我么可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。
• 0-4这段频率范围不用于电信领域。而16-24这一段频率范围的电磁波很难产生和调制。由于频率非常高，波长就非常短。因此穿透障碍物的能力非常弱。该段电磁波对生物是有害的。
• 4-16 这段频率范围的电磁波、可以通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息。
• 
  

1. 无线电波

• 无线电波中的低中频频段，主要利用地面波进行传输
• 高贺甚高频频段，主要靠电离层的反射。
  

2. 微波

• 微波通信在数据通信中占有重要地位。300MHz~300GHz（波长1m ~ 1mm）。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。

• 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。

• 微波在空间主要是直线传播，地球是曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右。 为了实现远波通信，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在发送到下一站，故称为“接力”。

• 常用的卫星通信方法是在地球站之间。人造地球卫星，作为中继器的一种微波接力通信。特点是：通信距离远，从而传播时延较大。

• 低轨道卫星系统已开始在空间部署，并构成了空间告诉链路。
  

4. 红外线

• 例如家用电器（电视、空调等）都配有红外线遥控器。
• 红外通信属于点对点无限传输，中间不能有障碍物，传输距离短。
  

5. 可见光

• LIFI
  

三、传输方式

3.1串行传输和并行传输

串行传输：

• 数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端与接收端之间，只需要一条数据传输线路即可

并行传输：

• 一次发送n个比特，因此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路
• 并行传输的优点是比串行传输的速度n倍，但成本高
• 计算机网络中的数据在传输线路上的传输采用的是串行传输，计算机内部的数据传输常用并行传输。（例如CPU和内存之间，通过总线进行数据传输，常见的数据总线宽度有8/16/32/64位）
  

3.2同步传输和异步传输

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
• 所以要使收发双发时钟保持同步：实现收发时钟同步的方法主要有两种：
  
  异步传输：
• 以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定
• 接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步
• 通常在每个字节前后分别加上起始位S和结束位E

3.3单向通信、双向交替通信、双向同时通信：

单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
在许多情况下，我们要使用“信道（channel）”这一名词。信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

1. 单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电以及电视广播就属于这种类型。
   

2. 双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式使一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来
   

3. 双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双发可以同时发送和接收信息。
   单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则需要两条信道（每个方向各一条）
   双向同时通信的传输效率最高

四、编码与调制

4.1编码与调制的基本概念

1. 计算机需要处理和传输用户的文字，图片，音频和视频，可以统称为“消息”。
2. 数据是运送消息的实体，计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1。
3. 计算机的网卡将比特0/1变换成相应的电信号发送到网线。（也就就是说：信号是数据的电磁表现）。
4. 由信源发出的原始电信号称为基带信号（数字基带信号、模拟基带信号）。
5. 数字基带信号：例如：计算机内部CPU与内存之间传输的信号
6. 信号需要在信道中进行传输
7. 数字基带信号有：（信道：分为数字信道、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交换，称为编码。编号后产生的信号仍为数字信号。可以在数字信道中传输。
   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。
8. 模拟基带信号：例如：麦克风收到声音后产生的音频信号。
9. 模拟基带信号有：数字信道和模拟信道两种。

常用术语

数据 (data) —— 运送消息的实体。
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogoussignal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。码元就是构成信号的一段波形。
基带信号（即基本频带信号）—— 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。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

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。

传输媒体与信道的关系

• 信道的几个基本概念 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
• 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

严格来说，传输媒体不能和信道划等号

对于单工传输，传输媒体只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道

对于半双工和全双工，传输媒体中要包含两个信道，一个发送信道，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

4.2 常用编码

4.2.1 不归零编码

下图是：采用不归零编码产生的该比特流的相应信号。

• 正电平表示比特1/0
• 负电平表示比特0/1
• 中间的虚线是零电平，所谓不归零编码，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平
• 实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定

• 问题是：接收端如何判断是两个码元？
  这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步。所以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，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元
  但是对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，也不想传输时钟信号
  因此，由于不归零编码存在同步问题，因此计算机网络中的数据传输不采用这类编码！
  

4.2.2 归零编码

不需要单独的时钟信号，归零即可。
归零编码优点是自同步，但缺点是：编码效率低

、

4.2.3曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变

负跳变表示比特1
正跳变表示比特0
码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据
实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定
传统以太网使用的就是曼切斯特编码

4.2.4差分曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发送跳变，但与曼彻斯特不同

跳变仅表示时钟
码元开始处电平是否变换表示数据
变化表示比特1/0
不变化表示比特0/1
实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定
比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

4.2.4 总结

4.3调制

数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输，例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方式。

模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输，例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输。频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。

基本调制方法
调幅AM：所调制的信号由两种不同振幅的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量。
调频FM：所调制的信号由两种不同频率的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量。
调相PM：所调制的信号由两种不同初相位的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量。
但是使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息

4.4混合调制

4.4.1频率和相位

4.4.2相位和振幅

4.4.3 混合调制——正交振幅调制QAM

上图码元所对应的4个比特是错误的，码元不能随便对应4个比特。

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。

五、信道的极限容量

• 例如下图：一个数字信号，当它通过实际的信道后，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，信号波形失去了码元之间的清晰界限，那么就很难判断这个信号是1和0了，这种现象叫码间串扰。
• 而产生失真的原因有：1,2,3,4。

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

奈氏准则和香农公式对比：

• 补充：信道复用技术
  本节内容视频未讲到，是《计算机网络（第7版）谢希仁》物理层的内容

频分复用、时分复用和统计时分复用
复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。

它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

将整个带宽分为多份，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。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

时分复用TDM (Time Division Multiplexing)

时分复用则是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时隙。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。

TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用可能会造成线路资源的浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

波分复用
波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

码分复用
码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现