1 基础概念

物理层解决如何在链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, 确定与传输媒体接口有关的一些特性. -> 定义标准

1.1 物理层规定的特性:

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.
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, 接口部件的信号线的用途.
规程特性: (过程特性) 定义各条物理线路的工作流程和时序关系.

1.2 数据通信基础知识

1.2.1 典型的数据通信模型:

信源: 通信发起终端.
发送器(调制解调器): 把信源发过来的数字信号转化为模拟信号发送给传输系统(公用电话网).
传输系统
接收器(调制解调器): 把模拟信号转换为数字信号送给信宿.
信宿: 通信接收终端.

1.2.2 数据通信相关术语:

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, 包括数字信号和模拟信号.
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.

1.2.3 三种通信方式:

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: 通信的双方都可以发送或接收信息, 但任意一方都不能同时发送和接收, 需要两条信道.
全双工通信: 通信双方可以同时发送和接受信息, 也需要两条信道.

1.2.4 两种数据传输方式:

串行传输: 速度较慢, 费用较低, 适合远距离.
并行传输: 速度较快, 费用较高, 适合近距离.

1.3 数据通信相关术语

1.3.1 码元:

基本概念:

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, 一种代表1状态.

1.3.2 速率, 波特:

速率:

速率也叫数据率, 是指数据的传输速率, 表示单位是见内传输的数据量, 可以用码元传输速率和信息传输速率表示.

码元传输速率:

别名码元速度, 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索传输的码元个数(也可称为脉冲个数或者信号变化的次数), 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, 但码元速率与进制数无关.

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).

码元传输速率与信息传输速率的关系:

假如一个码元携带n bit的数据量(n进制码元), 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.

1.3.3 带宽:

表示在单位时间内从网络中从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率". 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.

1.4 奈氏准则和香农定理

1.4.1 失真

信号失去其真实性. 信号在传输过程中发生的情况. 码元传输速率越快, 传输距离越远, 噪声干扰越大, 传输媒体质量越差, 失真越严重. 且信号的频率越高, 也会出现码间串扰的一种失真现象. 所以模拟信号传输有最低和最高的频率限制, 最高和最低的差值即为模拟信号传输信道的带宽.

1.4.2 奈氏准则(奈奎斯特定理)

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.W是信道的带宽, 单位是Hz.

1.4.3 香农定理

背景:

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(signal / noise), 并用分贝 (dB) 作为度量单位, 即:

信噪比 $dB = 10log_{10}(S/N)$

香农定理:

具体为: 在带宽有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.

信道的极限传输速率 $= Wlog_{2}(1 + S/N) (b / s)$

1.4.4 如何利用奈氏准则和香农定理:

奈氏准则是内忧, 即在带宽受限的无噪声条件下, 为了避免码间串扰, 码元传输速率的上线为2W Baud. 而香农定理是外患, 带宽受限且又噪声条件下的信息传输速率. 所以数据最大传输速率需要同时满足奈氏准则和香农定理, 所以要取其小.

1.5 数据的编码和调制

1.5.1 基带信号和宽带信号:

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.

宽带信号:

将基带信号进行调制后形成的频分复用的模拟信号, 在传送到模拟信道上传输(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较高的频段以便在信道中传输(即尽在一段频率范围内能够通过信道).

在传输距离较近时, 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).

1.5.2 编码与调制

编码:

把数据转换成数字信号, 称为编码.

调制:

把数据转换成模拟信号, 成为调制.

如果把数字数据编码成数字信号, 需要通过数字发送器.

如果把数字数据调制成模拟信号, 需要通过调制器.

如果把模拟数据编码成数字信号, 需要通过PCM编码器.

如果把模拟信号调制成模拟信号, 需要通过放大器调制器.

1.5.3 四种编码和调制的手段:

数字数据编码为数字信号:

常用的编码方法(加粗表示常用):

非归零编码(NRZ): 高电平对应1, 低电平对应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时间, 以至于收发双方难以保持同步.
曼彻斯特编码: 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.
差分曼彻斯特编码: 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.
归零编码(RZ): 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码形式.
反向不归零编码(NRZI): 信号电平翻转表示0, 信号电平不变表示1.
4B/5B编码: 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1, 就是用5个比特来编码四个比特的数据, 之后在传给接收方, 因此称为4B/5B. 编码效率为80%. 只采用16种对应16种不同的4位码, 其他的16种作为控制码(帧的开始和结束, 线路的状态信息等)或保留.

数字数据调制为模拟信号:

数字数据调制技术在发送端把数字信号转换成模拟信号, 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.

ASK(调幅): 0没有幅度, 1对应有振幅.
FSK(调频): 0低频, 1高频.
PSK(调相): 通过相位不同区分0和1.
QAM(调幅 + 调相): 可以举个例子说明: 某通信链路的波特率是1200Baud, 采用四个相位, 每个相位有四种振幅的QAM调制技术, 则该链路的信息传输速率是多少? 波特率为1200, 说明每秒传输1200个码元, 而一共有四种相位, 每个相位有四种振幅, 说明码元的取值有16种可能性, 代表着一个码元可以携带4个比特的信息, 也就是说信息传输速率是4 * 1200 b/s也就是4.8 kb/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来表示的离散序列(即实现音频数字化).

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, 能够打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.

抽样: 对模拟信号周期性扫描. 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号. 为了使得所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据, 要使用采样定理进行采样: $f_{sampling} \geq 2 * MAXf_{signal}$
量化: 把抽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串, 并取整数, 这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量.
编码: 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码.

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 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. 传输媒体在物理层的下面, 因为物理层是体系结构的第一层, 因此有时称传输媒体为0层, 在传输媒体中传输的是信号, 但传输媒体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, 因此能够使别所传输的比特流.

传输介质可以有以下分类:

导向性传输介质
非导向性传输介质

2.1 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. 可以有以下分类

2.1.1 双绞线

古老, 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. 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).

双绞线的优势:

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.

2.1.2 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壳构成. 按特性阻抗数值的不同, 通常将同轴电缆氛围两类: 50 $\Omega$ 同轴电缆和75 $\Omega$ 同轴电缆. 其中, 50 $\Omega$ 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. 75 $\Omega$ 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.

同轴电缆和双绞线对比:

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, 但价格较双绞线贵.

2.1.3 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 $10^{8} MHz$ , 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, 他们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲, 在接收端用光电二极管做成光检测器, 在检测到光脉冲时可还原出电脉冲.

光纤构成:

光纤主要有纤芯(实心)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, 即光纤碰到包层时候就会折射回光纤, 这个过层不断重复, 光电就沿着光纤传输下去.

光纤分类:

多模光纤:

定义:

有多种传输光信号模式的光纤

光源:

发光二极管

特点:

易失真, 适合近距离传输

单模光纤:

定义:

一种在横向模式直接传输光信号的光纤

光源:

定向性很好的激光二极管.

特点:

衰耗小, 适合远距离传输

光纤的特点:

传输损耗小, 中继距离长, 对远距离传输特别经济.
抗雷电和电磁干扰性能好
无串音干扰, 保密性好, 也不易被窃听或截取数据.
体积小, 重量轻.

2.2 非导向性传输介质

非导向性传输介质: 自由空间, 介质可以是空气, 真空, 海水等.

非导向性传输介质可以有以下分类:

无线电波

信号向所有方向传播, 穿透能力较强, 广泛用于通信领域(如手机通讯).

微波

信号固定方向传播, 微波通信频率较高, 频段范围宽, 因此数据率很高.

可以有以下应用:

地面微波接力通信

卫星通信: 优点是通信容量大, 距离远, 覆盖广, 广播通信和多址通信, 缺点是传播延时长, 受气候影响大, 误码率较高, 成本高.

红外线, 激光

信号固定方向传播, 把要穿波的信号分别转换为各自的信号格式, 即红外光信号和激光信号, 再在空间中传播.

3 物理层设备

3.1 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, 对衰减的信号进行放大, 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(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联, 且两个网段速率要相同.
中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上, 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用于网段的数据.
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)

5-4-3规则(10M以太网中的规定):

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是指只能有最多不超过5个网段
4是指只能有最多不超过4个网络设备, 网络设备可以是中继器也可以是集线器
3是指只有三个端可以连接计算机

3.2 集线器(多口中继器)

跟中继器的功能类似, 集线器的功能为:

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(除输入端口外)处于工作状态的端口上, 以增加新好传输的距离, 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.

需要注意的是:

集线器不能分割冲突域(也就是说集线器连接的设备同时通信时, 集线器无法同时处理), 其处理方式为, 连在集线器上的工作主机平分带宽(括号内为个人理解, 不一定对: 把单位时间分成多份, 用于不同设备之间的通讯?), 导致集线器通讯的效率很低.

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