【计算机网络】物理层
🎯 导读：本文档概述了计算机网络物理层的基础知识，包括物理层的作用、四大任务、传输媒体分类及其特性，深入讲解了调制技术和编码方法如曼彻斯特编码等，探讨了信道的极限容量，介绍了奈氏准则和香农公式，并讨论了信道复用技术如频分复用、时分复用等，最后分析了不同类型传输媒体的特点和应用场景，为理解计算机网络的底层通信原理提供了全面的指导。
2.1、物理层的基本概念
物理层作用
- 物理层: 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。
- 透明: 链路层是不清楚物理层采用什么方式和方法来传输0和1的，只需享受提供的比特流传输服务即可！物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
物理层四大任务
物理层为了解决在传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有以下四个任务
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
习题
2.2、物理层下面的传输媒体（了解即可）
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。传输媒体分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体
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。
同轴电缆
结构
- 由内导体铜质芯线（可为单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层和绝缘保护套层组成，各层共圆心，即同轴心。
分类及应用
- 分为 50 欧阻抗的基带同轴电缆，用于数字传输，早期在局域网中广泛使用；75 欧阻抗的宽带同轴电缆，用于模拟传输，目前主要用于有线电视入户线。
缺点
- 价格较贵，布线不够灵活和方便，在局域网领域已被双绞线取代。
双绞线
结构
- 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则绞合起来。有屏蔽双绞线电缆（增加了金属丝编织的屏蔽层，抗电磁干扰能力强，价格贵）和无屏蔽双绞线电缆。
应用
- 是最古老又最常用的传输媒体。目前家庭局域网主流带宽为 1G 比特每秒，可选用大品牌、质量好的超五类双绞线电缆；考虑未来发展，在经济条件允许时建议选用 6A 类双绞线电缆以满足万兆局域网需求。
光纤
光纤非常细，所以做成光缆，里面有加强芯和填充物来提高机械强度，光缆内部可能有一到多根光纤，必要时还可放入远控电源线，以满足工程施工强度要求。纤芯直径多模光纤有 50μm 和 62.5μm，单模光纤为 9μm，直径不超过 125μm。
传输原理
- 在发送端可采用发光二极管或半导体激光器作为光源，接收端采用光电二极管或激光检波器检测光脉冲。光从高折射率媒体射向低折射率媒体时，当入射角足够大就会出现全反射，光沿着光纤传输
光纤工作原理
【光纤结构基础】
- 光纤是由非常透明的石英玻璃拉成的细丝作为纤芯，外面有折射率比纤芯低的玻璃风套。
【光传输原理】
- 在发送端，可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源。当光从高折射率的纤芯射向低折射率的包层时，折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射。
- 该过程反复进行，光也就沿着光纤传输下去。只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可以产生全反射，因此可以存在许多条不同角度折射的光线在一条光纤中进行传输，这种光纤成为多模光纤。
分类及应用
**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。但因光的色散问题，传输一定距离后会产生信号失真（脉冲展宽），只适合近距离传输，如建筑物内，对光源要求不高，可用发光二极管作为光源。
**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。没有模式色散，适合长距离传输且衰减小，但制造成本高，对光源要求高，需用昂贵的半导体激光器作为光源。
优缺点
优点：通信容量大，传输损耗小，抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好，不易被窃听，体积小，重量轻。
缺点：割接光纤需要专用设备，光电接口价格较贵。
电力线
历史
早在20世纪20年代初期就出现了应用电力线传输信号的实例，最早是电力线电话。
应用场景
对于装修时没有进行网络布线的家庭，可以采用电力线作为传输媒体。对于企业来说，每间办公室电脑数量不多且不希望跨办公室布线时也可采用。每个办公室只需在电源插座上插入一个或多个电力猫即可。
性能特点
目前如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线作为传输媒体是不能满足要求的。
非导引型传输媒体
非导引型传输媒体是指自由空间。可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。
无线电波
微波
频段及特性
- 微波频段是从特高频到极高频，也就是从分米波到毫米波。
- 频率范围为300兆赫兹到300g赫兹（波长1米到1mm），但主要使用2 - 40g赫兹的频率范围。
- 微波在空间主要是直线传播，会穿透电离层而不能经过电离层反射传播到地面很远地方。
传输方式
- 地面微波接力通信
- 由于地球表面是曲面，微波直线传播距离受限，一般只有50km左右，采用1百米高天线塔可增大到100km。
- 为实现远距离通信，在微波通信信道两个终端之间要建立若干中继站，中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。
- 卫星通信
- 常用方法是在地球站之间利用位于约36000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。
- 其最大特点是通信距离远，但传播时延比较大，一般在250 - 300ms之间。除同步卫星外，低轨道卫星通信系统也开始部署。
红外线
应用实例
- 很多家用电器如电视、空调等都配套有红外遥控器，以前的笔记本电脑基本都带有红外接口可以进行红外通信，现在很多智能手机还带有红外接口用于对电视、空调等家用电器进行红外遥控。
传输特点
- 属于点对点无线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率也很低。
可见光
最新的 LiFi 技术，以每秒开关切换来调整光信号进行上网和数据传输，但目前处于实验研究阶段，短时期内无法取代 WiFi，存在如房间内网络设备可见光同步等问题，但应用前景被看好。
无线电频谱使用注意事项
使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证，但也有一些无线电频段是可以自由使用的，如工业科学医疗频段（美国的 ISM 频段），无线局域网就使用其中的 2.4G 赫兹和 5.8G 赫兹。
2.3、传输方式
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（适合远距离，计算机网络采用）
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
- 计算机内部采用，不适合远距离
数据在传输线路上的传输采用是串行传输，计算机内部的数据传输常用**并行传输：**计算机内部的数据传输常采用并行传输方式，如 CPU 与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 位、16 位、32 位和 64 位；计算机网络中数据在传输线路上的传输采用串行传输。
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，实现收发双方时钟同步的方法主要有两种：
- 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号，接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
- 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输，如传统以太网所采用的曼彻斯特编码。
【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，为此通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位
这里异步是指字节之间不同步，即字节之间的时间间隔不固定，但字节中的每个比特仍然要同步，即每个比特的持续时间是相同的。
通信方式
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：
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。如无线电广播或有线电以及电视广播
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（当然也不能同时接收）。
- 一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来
和双向同时通信（全双工通信）
- 通信的双发可以同时发送和接收信息。
总结
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
2.4、编码与调制
基础概念
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 (analogous signal) —— 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称为码元。
- 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)。
消息、数据与信号
- 计算机网络中用户的文字、图片、音频和视频统称为消息。
- 数据是运送消息的实体，计算机只能处理二进制数据（比特 0 和比特 1）。
- 计算机网卡将比特 0 和比特 1变成相应的电信号传输到网线，即信号是数据的电磁表现。
- 由信源发出的原始电信号称为基带信号，可分为数字基带信号（如计算机内部 CPU 与内存之间传输的信号）和模拟基带信号（如麦克风收到声音后产生的音频信号）。信号是数据的电子表现，可在信道中传输，信道分为数字信道和模拟信道。
编码与调制
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
【数字基带信号】
- 编码：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变换称为编码，编码后产生的信号仍为数字信号，可在数字信道中传输，如以太网使用曼彻斯特编码等。
- 调制：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，可在模拟信道中传输，例如 wifi 使用补码监控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方法。
【模拟基带信号】
对于模拟基带信号的处理也有编码和调制两种方法
- 编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM，将模拟音频信号通过采样、量化、编码进行数字化，
- 调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，例如传统的电话；另一个是频分复用 FDM 技术，可以充分利用带宽资源。
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称为码元，简单来说，码元就是构成信号的一段波形。下面的的调频信号由两种码元构成
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。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
常用编码
不归零编码
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
- 正电平表示比特1
- 负电平表示比特0
- 中间的虚线是零电平
实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定
接收端如何判断出这是两个码元，还是三个码元，这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步，怎么做？
- 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，而不是传输时钟信号
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！
归零编码
- 每个码元传输结束后，信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号
- 实际上，归零编码相当于把时钟信号用归零方式编码在了数据之内，这称为自同步信号
- 但是归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了
归零编码虽然自同步，但编码效率低
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既表示时钟，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
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，用码元开始处电平是否变换表示数据
- 变化表示比特1
- 不变化表示比特0
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
习题
首先假设正跳变是1，发现没有答案；再假设正跳变为0
总结
调制
- 将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，使用频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。
基本调制方法
数字基带信号（也就是来自信源的原始数字信号），要使用模拟信号来传输，需要将数字基带信号通过调制方法调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号
- 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（无载波输出表示比特零，有载波输出表示比特一）
- 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（频率 f1 的波形表示比特零，频率 f2 的波形表示比特一）
- 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（初相位 0 度的波形表示比特零，初相位 180 度的表示比特一）
混合调制
使用基本调制方法，一个码元只能表示一个比特信息。如何能使一个码元包含更多的比特呢？可以采用混合调制的方法
- 频率和相位是相关的，频率是相位随时间的变化率，因此一次只能调制频率和相位中的一个
- 相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制 QAM
QAM-16
正交振幅调制的 QAM-16，该调制方法所调制出的波形可以有 12 种相位，每种相位有1或2种振幅可选。
【码元】
该点就表示其中的一个码元，它与圆心连线的距离可看作是振幅，连线与横坐标的夹角可看作是相位
QAM-16 可以调制出 16 种码元，也就是 16 种波形，则每种码元可以对应表示四个比特。
如下图所示，这是我们随便定义的每个码元所对应的四个比特，假设 a、b、c、d、e 是接收端接收到的五个码元，这五个码元原本都是表示 0000 的，由于传输过程中产生失真，导致他们在星座图中并未落在理想的位置
- 接收端会将码元 abc 解调为 0000，正确
- 接收端会将码元 d 解调为 0001，有一个错位
- 接收端会将码元 e 解调为 1111，4 位全错
使用随便定义，位置有一点误差，解码出来的码元可能差异较大，说明每个码元与四个比特的对应关系不能随便定义。
格雷码
每个码元与四个比特的对应关系应该采用格雷码，也就是任意两个相邻码元只有一个比特不同，如下图所示。采用格雷码编码后，即使发生符号错误，也只会导致一位的错误，因为格雷码确保了相邻符号之间的编码差异最小化。例如，在16-QAM中，如果一个符号从代表“0000”的点错误地检测为相邻的“0001”点，那么只有最末位发生了变化，这使得纠错更加容易，同时也降低了整体的误码率。
2.5、信道的极限容量
信号失真
一个数字信号通过实际的信道后，波形会产生失真。
- 当失真不严重时，在输出端还可根据已失真的波形还原出发送的码元
- 当失真严重时，在输出端就很难判断这个信号在什么时候是 1 和在什么时候是 0 信号，波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰
- 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。
失真原因
- 码元传输的速率高
- 信号传输的距离远
- 噪声干扰大
- 传输媒体质量差
奈氏准则
早在 1924 年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则，他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限。
提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能够携带更多个比特的信息量，这需要采用多元制。
- 调幅、调频以及调相这三种基本调制方法属于二元调制，只能产生两种不同的码元，也就是两种不同的基本波形，因此每个码元只能携带一比特的信息量。
- 混合调制属于多元调制，例如 QAM16 可以调制出 16 种不同的码元，因此每个码元可以携带四比特的信息量。
需要说明的是，实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限值，因为奈氏准则是在假定理想条件下推导出来的，不考虑其他因素如传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等因素影响。
仅从公式来看，只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，就可以无限制提高信息传输速率。但答案是否定的，信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比，因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别，并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。
香农公式
1948 年，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信息传输速率，具体公式如下所示
综合奈氏准则和香农公式来看，在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传输速率，就必须采用多元制，并努力提高信道中的信噪比。自从香农公式发表以后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能的接近香农公式所给出的传输速率极限。奈氏准则和香农公式对比：
习题
从香农公式可知，信噪比和频率带宽都会影响信道数据传输速率，从奈氏准则可知，调制速度也就是码元传输速度和码元所携带的比特数量，都会影响信道数据传输速率，而信号的传播速度不影响数据传输速率。
文章说明
该文章是本人学习 湖科大教书匠 的学习笔记，文章中大部分内容来源于 湖科大教书匠 的视频 计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版），也有少部分内容来自于自己的思考，发布文章是想帮助其他学习的人更方便地整理自己的笔记或者直接通过文章学习相关知识，如有侵权请联系删除，最后对 湖科大教书匠 的优质课程表示感谢。
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