第二章、物理层

一、物理层基本概念

• 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。

• 通常把传输媒体称为第0层。

• 物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）。

  • 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
  • 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。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件信号线的用途。
  • 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。

二、数据通信基础知识

• 典型的数据通信模型
• 数据通信相关术语
  • 通信的目的是传送消息 。
  • 数据：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：代表消息的参数取值是离散的。
    • 代表消息的参数取值是连续的。
  • 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
    • 根据传输信号来分类，可分为模拟信道（传送模拟信号）和数字信道（传送数字信号）
    • 根据传输介质来分，可分为无线信道和有线信道
• 三种通信方式，从通信双方的交互方式看，可以有三种基本方式
  • 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
  • 半双工通信：通信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
  • 全双工通信：通信双方都可以同时发送或接收信息，也需要两条信道。
• 两种数据传输方式
  • 串行传输：一个接一个比特，排好队，从发送方一个个发送，接收方挨个接收，速度慢，费用低，适合远距离
  • 并行传输：多个比特可同时从发送方传输，接收方可同时接收，速度快，费用高，适合近距离，常用于计算机内部[image-20220129235033898]

三、码元、波特、速率、带宽

• 码元：

  • 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。
  • 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，一种代表0状态，另一种代表1状态。

• 速率：

  • 速率也叫数据率，是指数据的传输速率（发送速率），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率表示。
  • 传播速率：电磁波或光波的传输速率
    • 码元传输速率 ：别名码元速率 、波形速率、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）【速度单位1Baud=1码元/s】。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制无关。（1s传输多少个码元）
    • 信息传输速率：别名信息速率、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）。(1s传输多少个比特)
    • 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。

• 带宽：

  • 表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点的所能通过的“最高数据率”（传输速率或发送速率），常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，单位是b/s。

• 习题

  • 解析：

    • 四进制码元代表4种不同的信号状态，而4种不同的状态可以用2位二进制来表示00，01，10，11，即一个码元携带2bit，所以2000Baud*2=4000b/s,

    $$
    2=log2 4
    $$

    • 16进制可以用4位来表示，所以1200Baud*4=4800b/s

    $$
    4=log2 16
    $$

    • 如果用16进制码元系统去传输4进制码元会有更高的码元传输速率，因为16进制系统的信息传输速率为4800bit/s,如果用四进制系统，则每个码元携带2比特的数据，也就是码元的传输速率为4800bit/s除以2比特=2400波特，2400>2000

四、奈氏准则

• 失真
  • 影响失真程度的因素
    • 码元传输速率
    • 信号传输距离
    • 噪声干扰
    • 传输媒体质量
• 码间串扰
  • 信道带宽：是信道能通过的最高频率和最低频率之差，图上为3300Hz-300Hz=300Hz
  • 如果信号带宽频率太低，如上图的200Hz，这种频率的信号在传播过程中会衰减，到接收端可能就没了，因此不能通过
  • 如果频率太高，震动频率太快，导致接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象，这就叫码间串扰（码元传输太快）。
• 奈示准则（奈奎斯特定理）：为了解决码间串扰的问题
  • 内容：在理想低通（低于最高频率的可以通过）（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
  • 
  • 推论：
    • 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。
    • 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。
    • 奈氏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氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须高潮使每个码元能携带多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
  • 练习：

五、香农定理

• 噪声：存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，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。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
• 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N,并用分贝（dB）作为度量单位，即：
• 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。
• 推论：
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
• 习题：

六、奈氏和香农的比较

• 如果题目中给出的条件两种准则都能用，则需要全计算取小的那个。
• 例题：

七、编码和调制

• 基带信号与宽带信号

  • 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。

  • 信道的分类

    • 按传输信号的方式：模拟信道（传送模拟信号） 和数字信道（传送数字信号）
    • 按传输介质:无线信道和有线信道

  • 信道上传送的信号分为基带信号的宽带信号

    • 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（模拟信号）。

    • 宽带信号：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)。

      把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到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）

    • 总结：

      在传输距离较近时（如计算机和显示器通讯），计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不容易发生变化）。

      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）。

• 编码与调制

  • 

• 数字数据编码为数字信号

  • 非归零编码【NRZ】
  • 曼彻斯特编码
  • 差分曼彻斯特编码
  • 归零编码【RZ】
  • 反向不归零编码【RNZI】
  • 4B/5B编码

  

  

  • 编码介绍：
    • 非归零编码【NRZ】：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束（如果多个0或1连在一块过长），以至于收发双方难以保持同步。
    • 归零编码【RZ(return zero)】：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码的编码方式，这种方式0较多，信道利用率低。
    • 反向不归零编码【RNZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1（如果1太多，则也是连成一条线，以至于收发双方难以保持同步）。
    • 曼彻斯特编码：综合上面3种编码的缺点，解决不同步问题。将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1;码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位于中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输率只有调制速率的1/2。也可以理解为一个周期内（一个码元），脉冲信号变化了两次，因此数据传输率只有调制速率的1/2。
    • 差分曼彻斯特编码：同1异0。常用于局域网传输，其规则是：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，若为0则相反。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，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
    • 4B/5B编码：

• 数字数据调制为模拟信号

  • 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，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。
  • 
  • 题解：4个相位、4种振幅，则有16种不同的波形，也就是有16种码元，而16种码元可以用4个比特位来表示，码元传输速率为1200Baud/s,则信息传输率就是1200*4=4800bit/s

• 模拟数据编码为数字信号

  • 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以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（即实现音频的数字化）。
  • 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。

• 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。

八、物理层传输介质

• 传输介质及分类

  • 传输介质也称为传输媒体/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。（不同于信道，信道是逻辑层面的，而传输介质是实实在在的）。
  • 传输媒介并不是物理层。
  • 传输媒介在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时也称传输媒介为第0层。在传输媒介中传输的是信号，但传输媒介并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
  • 如果说物理层是傻瓜，则传输媒介连傻瓜都不如。
  • 传输介质可以分为以下两种
    • 导向性传输介质（也叫导引性传输介质）：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（也叫非导引性传输介质）：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等

• 导向性传输介质

  • 1.双绞线：双绞线是一种古老的、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。 绞合的目的就是为了减少对相邻导线的电磁干扰。

    为了进一步提高搞电磁干扰能力，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）。

    双绞线便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话中网中普遍使用。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。

    网线就是双绞线的一种。

  • 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：主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，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，主要用于有线电视系统。

    同轴电缆VS双绞线：由于外层体屏蔽层的作用，同轴电缆的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，但价格比双绞线贵。

  • 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[光波]（双绞线和同轴电缆传递的是电脉冲[电磁波]）。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10 ^8MHz，因此光纤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，可以采用发光二级管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下可以产生光脉冲；在接收端用光电二级管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

    光纤主要由纤芯（实心的）和包层构成，光纤通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，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，光就沿着光纤传输下去。

    单模光纤和多模光纤：单模的好且贵

    

    一根光缆少则只有一根光纤，多则包括十至数百根光纤。

    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。

• 非导向性传输介质

  

  • 卫星通信只需要三个卫星便可实现全球信号的覆盖。

九、物理层设备

• 中继器

  • 诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

  • 中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，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。主要功能就是再生数字信号。

  • 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，且两个网段的速率要相同。

    中继器只将任何电缆上的数据发送到另段电缆上，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。

    中继器两端可连相同媒体，也可连不同媒体。

    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，傻）

  • 5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
    5：最多有5个网段，中继器两端是不同的网段。

    4：最多有4个物理层的网络设备，图中蓝色方块，可以中继器或集线器。

    3：只有三个段可以挂接计算机或工作站。

• 集线器（多口中继器）（和中继器效果差不多）

  • 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（除转入端口外）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（广播）。

  • 集线器不能分割冲突域，可能会造成冲突。

  • 连在集线器上的工作主机平分带宽，因为需要广播，一个信号发送，其他工作状态的主机都会接收。