第二章 物理层
2.1 通信基础
1、数据、信号与码元
通信的目的是传送消息（语音、文字、图像等）。数据是指传送信息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都可用“模拟的”或“数字的”来修饰：
①连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）；
②取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号）。
数据传输方式可分为串行传输和并行传输：
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。
码元：指的是用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，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≥2），此时码元为M进制码元。1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：0状态和1状态。
2、信源、信道与信宿
数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点（通常是数字计算机或其他数字终端设备）。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。
信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某一个方向发送信息的介质，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。噪声源是信道上的噪声（即对信号的干扰）及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。
信道按传输信号可分为模拟信道（发送模拟信号）和数字信道（发送数字信号），按传输介质可分为无线信道和有线信道。
信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）；宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输（称为宽带传输）。
从通信双方信息的交互方式来看，可以分为三种基本方式：
①单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。（广播）
②半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。（对讲机）
③全双工通信/双向同时通信：通信的双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。（电话）
3、速率、波特与带宽
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，可以用码元传输速率和信息传输速率表示：
①码元传输速率。又称波特率，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）。1波特表示数字通信系统每秒传输1码元。
②信息传输速率。又称信息速率、比特率等。它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1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。（比特率=波特率×log2的N进制）
带宽原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz）。在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。因此，带宽表示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”。显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是b/s。
2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理
1、奈奎斯特定理
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码元串扰。奈奎斯特定理又称奈式准则，它规定：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，其中W是理想低通信道的带宽。若用V表示每个码元离散电平的数目，则理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V（b/s）。
对于奈式准则，可以得出以下结论：
①在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
②信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
③奈式准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
由于码元的传输速率受奈式准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
2、香农定理
香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为信道的极限传输速率=Wlog2（1+S/N）（b/s）。
式中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10log10（S/N）（dB）。
对于香农定理，可以得出以下结论：
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。
奈式准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。
2.1.3 编码与调制
数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变为信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
信号是数据的具体表示形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了下列4种编码方式。
1、数字数据编码成数字信号
数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码，常见编码有以下几种：
①归零编码：在归零编码（RZ）中用高电平代表1、低电平代表0（或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。
②非归零编码：非归零编码（NRZ）与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。
③反向非归零编码：反向非归零编码（NRZI）与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。（USB 2.0通信）
④曼彻斯特编码。曼彻斯特编码（Manchester Encoding）将一个码元分为两个相等的间隔，前高后低表示1，前低后高表示0。当然也可以采用相反的规定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。（以太网）
⑤差分曼彻斯特编码：差分曼彻斯特编码的规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情形相反。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。
⑥4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，用5bit来编码4bit的数据，之后再传送给接收方。编码效率为80%。
2、数字数据调制成模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转化为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的数字调制方法有如下几种：
①幅移键控（ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
②频移键控（FSK）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。
③相移键控（PSK）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
④正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为R=Blog2（mn）（b/s）
例题：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少？
4×4=16，log216=4，1200×4=4800 bit/s
3、模拟数据编码成数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，都是数字音频，需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。PCM脉冲编码调制是对音频信号进行编码的波形编码方式，主要包括三步：采样、量化、编码。
采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差。因此，将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f*必须大于或等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。另外，采样定理又称奈奎斯特定理。
①采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据采样定理，当采样的频率大于或等于模拟数据的频带带宽的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样地模拟数据。
②量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
③编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
4、模拟数据调制成模拟信号
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（FDM）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。
2.1.4 数据交换方式
1、电路交换
在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条由中间节点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，该线路一直保持。电路交换分为三个阶段：建立连接（呼叫/电路建立）、通信（数据传输）、释放连接（拆除电路）。
电路交换的特点：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。
| 电路交换的优缺点 |
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| 优点 |
缺点 |
| 传输时延小 |
建立连接时间长 |
| 数据顺序传送，无失序问题 |
线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低 |
| 实时性强，双方一旦建立物理链路，就可以实时通信。适用于交互式会话通信 |
灵活性差，双方连接通路中的任何一方出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信 |
| 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道 |
无数据存储能力，难以平滑通信量 |
| 适用于数字信号和模拟信号 |
电路交换时，数据直达，不同类型、规格、速率的终端很难相互进行通信 |
| 控制简单，电路的交换设备及控制较简单 |
无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制 |
2、报文交换
数据交换的单位是报文，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。报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换节点采用的是存储转发的传输方式。
| 报文交换的优缺点 |
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| 优点 |
缺点 |
| 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文。 |
实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换节点后要经历存储转发的过程，从而引起转发时延。 |
| 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。 |
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| 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可以重新选择另一条路径传输。 |
只适用于数字信号。 |
| 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占用这条物理通道，多个报文可共享信道。 |
由于报文长度没有限制，而每个中间节点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个节点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少节点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。 |
| 提供多目标服务，一个报文可同时发送多个目的地址。 |
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| 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信。 |
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3、分组交换
同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。网络节点根据控制信息把分组送到下一个节点，下一个节点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个节点，直到到达目的节点。
数据交换方式的选择是：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。当端到端的通信有很多段的链路组成时，采用分组交换发送数据较为合适。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。
2.1.5 数据报与虚电路
分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。
1、数据报
作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层的PDU）。中间节点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的节点。
数据报服务具有如下特点：
①发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组，网络中的节点可随时接收分组。
②网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；网络为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的节点。
③发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。
④分组在交换节点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。通过交换节点的通信量较大或网络发送拥塞时，这种时延会大大增加，交换节点还可根据情况丢弃部分分组。
⑤网络具有冗余路径，当某一交换节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，适用于突发式通信，不适于长报文、会话式通信。
⑥存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量。
⑦收发双方不独占某条链路，资源利用率高。
2、虚电路
虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果。在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。
在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路。在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个节点上都维持一张虚电路表，表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接受链路和发送链路上的虚电路号、前一节点和下一节点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。
虚电路服务具有如下特点：
①虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
②虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
③虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。此外，还可以对两个数据端点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送。
⑤致命弱点：当网络中的某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该节点或该链路的虚电路将遭到破坏。
⑥分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小。
| 分组交换方式的区别 |
数据报 |
虚电路 |
| 连接的建立 |
不需要 |
必须有 |
| 目的地址 |
每个分组都有完整的目的地址 |
仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号 |
| 路由选择 |
每个分组独立地进行路由选择和转发 |
属于同一条虚电路地分组按照同一路由转发 |
| 分组顺序 |
不保证分组的有序到达 |
保证分组的有序到达 |
| 可靠性 |
不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证 |
可靠性由网络保证 |
| 对网络故障的适应性 |
出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输 |
所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作 |
| 差错处理和流量控制 |
由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可能性 |
可由分组交换网负责，也可由用户主机负责 |
2.2 传输介质
2.2.1 物理层传输介质
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输媒体并不是物理层，它在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为第0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但是物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
| 传输介质 |
导向性传输介质 |
电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播 |
| 非导向性传输介质 |
自由空间（空气、水等） |
1、导向性传输介质
①双绞线
双绞线是古老的、最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合（绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰）的、相互绝缘的铜导线组成。为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）。
特点：双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。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公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
②同轴电缆
同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线更贵。
③光纤
光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲，在接收端用光电极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。光纤主要由纤芯和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
| 光纤 |
定义 |
光源 |
特点 |
外观 |
| 单模光纤 |
一种在横向模式直接传输光信号的光纤 |
定向性很好的激光二极管 |
衰耗小，适合远距离传输 |
直径小到仅一条光线通过 |
| 多模光纤 |
有多种传输光信号模式的光纤 |
发光二极管 |
易失真，适合近距离传输 |
直径很大，可容纳多条光线 |
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，不易被窃听或截取数据。
④体积小，重量轻。
2、非导向性传输介质
①无线电波
无线电波的信号向所有方向传播，具有较强的穿透能力，可传输远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。
②微波
微波的信号向固定方向传播，微波的通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。微波的应用分为两种：1、地面微波接力通信；2、卫星通信。
| 卫星通信 |
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| 优点 |
缺点 |
| 通信容量大 |
传播时延长（250ms—270ms） |
| 距离远 |
受气候影响大（强风、太阳黑子爆发、日凌） |
| 覆盖广 |
误码率高 |
| 广播通信和多址通信 |
成本高 |
③红外线、激光
红外线、激光的信号向固定方向传播，把要传输的信号分别转化为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。
2.2.2 物理层接口的特性
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。物理层的主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）。
物理层接口特性：
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规格特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规格和时序关系。
实现同步的数据传输方式：
①同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位的，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需要先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
②异步传输：异步传输将比特分成小组（可以是8位的1个字符或更长）进行传送，发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接受方不知道他们会在什么时候到达。传送数据时，加上一个字符起始位和一个字符终止位。
2.3 物理层设备
2.3.1 中继器
中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，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。其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据。
中继器是用来扩大网络规模的最简单廉价的互连设备。中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都将产生影响。由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网。
从理论上讲，中继器的使用数目是无限的，网络因而也可以无限延长。但事实上这不可能，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的继器的个数不能超过4个，而且用4 个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是所谓的“5—4—3 规则”。
2.3.2 集线器
集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效。从Hub的工作方式可以看出，它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，即信息传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。
Hub主要使用双绞线组建共享网络，是从服务器连接到桌面的最经济方案。在交换式网络中，Hub直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面上。使用Hub组网灵活，它把所有节点的通信集中在以其为中心的节点上，对节点先练的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。Hub的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段，同时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。