计算机网络知识整理-物理层知识汇总（计算机网络入门参考指南）

第2章 物理层

2.1 关于物理层我们要学习什么

其实对于程序员而言，物理层，离我们开发的应用程序属于是透明的(上一章节讲过低层提供的服务的细节对上一层是透明的)，并且物理层的涉及到数据通信相关的概念，因此，物理层我们只需要大致了解即可，当然有兴趣的读者可以更加深入的去研究。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 常用术语

在物理层的学习过程中，我们会遇到许多专业的术语，下列几个是比较常用的术语。

• 数据：运送消息的实体。
• 信号：数据的电气的或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。 而这个间隔被称为码元长度。值得注意的是当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个） 时，此时码元为M进制码元。

2.2.2 关于信道的概念

2.2.2.1 什么是信道

我们常常用信道来表示向某一个方向传送信息的媒体。信道与电路并不等同，一条通信电路往往包含一条发送信道和接收信道。

2.2.2.2 信息交互方式

从通信的双方交互信息的方式来看，我们可以把信息交互方式分为三种

• 单工通信：又称为单向通信，只能有一个方向的通信。（日常生活中的无线(有线)电广播、电视广播就属于这个类型）。
• 半双工通信：又称为双向交替通信，允许双向通信，但是对于双方中的任意一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道。
• 全双工通信：又称为双向同时通信，对于通信的双方可以同时发送和接收信息，此时需要两条信道。

2.2.2.3 信道的极限容量

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。

从理论上讲，限制信道的传输码元速率的因素主要有两个：信道能够通过的频率范围和信噪比。

• 信道能够通过的频率范围

  信号咋信道中传播会由于信号中的高频部分受到衰减，导致接受放收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫码间串扰。奈奎斯特推导出了奈氏准则，给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

  奈氏准则的推导过程属于通信原理方面的知识，在这里我们只需要记住重要结论即可。

  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现象，使得接收方对码元的识别成为不可能。

  如果信道的频带越宽，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。

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• 信噪比

  噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小，所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)，单位是dB(分贝)。

  香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

  香农公式：C = Wlog2(1+S/N)
  

  香农公式作为了解即可

  由香农公式可以得出结论：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

  注：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么提高信息的传输速率就可以靠让每一个码元携带更多的信息量的方式进一步提升信息的传输速率。

2.2.3 编码与调制

• 编码：将数据转换成数字信号的过程。
• 调制：将数据转换成模拟信号的过程。

2.2.3.1 常用的编码方法

数据转换为数字信号后，由什么代表0什么代表1就是所谓的编码，常用的数字信号的编码方式有如下几种：

• 归零编码

  用高电平代表 1，低电平代表 0，每个时钟周期的中间均跳会归零，接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为双方提供了自同步机制。

• 非归零编码

  用高电平代表 1，低电平代表 0，一个周期可以全部用来传输数据，双方无法同步。

• 曼切斯特编码

  将码元分成两个相同的间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平代表1，相反则代表0。该编码规则的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，中间的跳变既是时钟信号又是数据信号。提供了同步机制。

• 差分慢切斯特编码

  在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

四种编码规则示例图如下图所示。

2.2.3.2 常用的调制方法

数据可以调制为模拟信号，常用的调制方法由四种。

• 幅移键控(ASK)：通过改变载波信号的振幅来表示0和1，载波的频率和相位都不改变。
• 频移键控(FSK)：通过改变载波信号的频率来表示0和1，载波的振幅和相位都不改变。
• 相移键控(PSK)：通过改变载波信号的相位来表示0和1，载波的振幅和频率都不改变。
• 正交振幅调制(QAM)：在频率相同的前提下，将幅移键控和相移键控结合起来，形成叠加信号。

PS：编码与调制稍作了解即可。

2.3 物理层的基本概念

物理层考虑的是如何才能在链接各种计算机的传输媒体上传输数据比特率，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉计算机网络中种类繁多的传输媒体和硬件设备之间的传输差异，使得向上层(数据链路层)提供的服务是透明的(即数据链路层根本感觉不到不同传输媒体之间比特流传输的差异性，它只需要知道，把数据帧交给物理层，就可以传输到目标地址的数据链路层即可。)

用于物理层的协议也常称为物理层规程 。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目等。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一个电压的意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

同时，物理层也负责完成传输方式的转换，在计算机中数据大多采用并行传输的方式，而在传输媒体上一般都是串行传输，因此物理层要对传输方式进行转换。

2.4 传输媒体

2.4.1 导引型传输媒体

• 双绞线

  双绞线是最常用的传输媒体，由两根采用一定规则搅合而成的相互绝缘的铜线组成。

  模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。

  市面上有屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。

• 同轴电缆

  同轴电缆由绝缘保护套层、外导体屏蔽层、绝缘层以及内导体组成。

  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。

  **同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。**LAN / 数字传输常用50欧的同轴电缆，有线电视 / 模拟传输常用75欧的同轴电缆。
  

• 光纤

  光纤即光导纤维，通过传递光脉冲来传递信号。

  由于可见光的频率非常高，约为 10的八次方 MHz 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。

  光纤的优点：

  • 通信容量非常大。
  • 传输损耗小，中继距离长。
  • 抗雷电和电磁干扰性能好。
  • 无串音干扰，保密性好。
  • 体积小，重量轻。

2.4.2 非导引型传输媒体

• 无线电波

  无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，被广泛应用于通信领域。无线电波可以向所有方向传播信号，因此有效距离范围内的接收设备无须对准任何方向即可接收到信号。

• 微波、红外线和激光

  目前高带宽的三种无线通信技术：微波、红外线和激光。它们要求接收方和发送方之间存在一条视线通路，具有很强的方向性，沿直线传播。

2.5 信道复用技术

首先我们需要了解什么是复用技术，复用是通信技术中的基本概念，在计算机网络中的信道中广泛的应用了复用技术，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。

举例说明：主机A1与主机A2，主机B1和主机B2分别使用单独的信道时，需要两条信道，且即使某一组主机在当前时刻没有任何通信，依旧会独占一条信道，造成信道资源的浪费。然而使用信道复用技术，使得这两组主机共享信道，则可以提高信道的利用率。

PS：信道的复用是有代价的，即共享信道需要的带宽较大费用也更高，同时还有复用器和分用器的开销，但是如果复用的信道数量较大时，使用信道复用从经济上来讲是更合算的。

2.5.1 频分复用与时分复用

最基本的复用方式就是频分复用和时分复用。

• 频分复用

  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）。

  频分复用的优点在于该技术比较成熟，缺点在于不够灵活。

• 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）。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
  

  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，例如：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。

  为了解决上述问题，出现了统计时分复用技术，该技术是对于时分复用技术的增强。

• 统计时分复用技术

  统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于链接在集中器上的用户数，各用户有了数据就随时发送到集中器的输入缓存中，然后集中器就会按顺序一次扫描输入缓存，吧缓存中的数据放入STDM帧中。对于没有数据的缓存就跳过，当一个帧满了，就会发送出去。因此可以看出STDM帧不是固定的分配时隙，而是按需动态分配。对于每个用户来说占用的时隙不是周期性的出现的。因此我们也称统计时分复用为异步时分复用。
  

2.5.2 波分复用

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

2.5.3 码分复用

码分复用又被称为码分多址CDMA，每一个用户可以在同样的时间使同样的频带进行通信，因为各个用户使用经过特殊挑选的不同的码型，因此各个用户之间并不会互相造成干扰。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，不易被他人发现。

码分复用最开始是用于军用通信的，但是随着技术的进步，现在已经广泛的使用在民用的移动通信中，尤其是在无线局域网中。

采用CDMA可以提高通信的质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响等等。

CDMA的工作原理相对复杂，在此就不作介绍了，感兴趣的读者可以查阅相关资料。

参考文献

《计算机网络（第7版）》-谢希仁
《2023年计算机网络考研复习指导》-王道论坛

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