物理层

知识结构

• 通信基础
  • 信道、信号、带宽、码元、波特、信源与信宿
  • 奈奎斯特定理与香农定理；编码与调制
  • 电路交换、报文交换与分组交换；数据包与虚电路
• 传输介质
  • 双绞线、同轴电缆、光纤与无限传输介质；物理层接口的特性
• 物理层设备
  • 中继器；集线器

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

1. 数据、信号与码元

数据是指传输信息的实体。
信号是指数据的电气表现，数据在传输过程中的存在方式。
数据传输方式可分为串行传输和并行传输。 码元是指用一个固定时长的信号波形表示一位 k 进制数字，代表不同离散值的基本波形，是数字信号的计量单位。

2. 信源、信道与通信

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，它们通常是计算或其他数字终端装置。
信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑不见，一般用来表示向某个方向传送信息的介质

3. 速率、波特与带宽

速率也称数据率，指的是数据的传输速率，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来表示。

码元传输速率单位是波特率，信息传输速率的单位是比特率(bit/s)。

带宽原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹。在实际网络中，由于数据率是信道最总要的指标之一，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。

2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理

1. 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理又称奈氏准则，他指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率是 2W 波特，其中 W 是信道的带宽，带宽为 Hz。 若用 V 表示每个码元离散电平的数目，则极限数据传输率为

$2W\log_2V$

对于奈氏准则，可以得出以下结论：

• 在任何信道中，码元传输的速率是由上限的的。若超出此上限，信息的传输就会失真
• 信道的频带越宽，就可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，但并未对信息传输速率给出限制

2. 香农定理

香农定理给出了非理想低通（有高斯白噪声干扰，带宽有限）信道的极限传输速率。当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差，其值为

$W\log_2(1+S/N)$

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。表示信噪比时使用分贝来表示，计算信噪比分贝数的公式为

$10\log_{10}(S/N)$

对于香农定理，可以得出以下结论：

• 信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率越高
• 对于一定的传输带宽和一定的信噪比，信息的传输速率的上限是确定的
• 只要信息的传输速率低于极限速率，就能找得到某种方法来实现无差错传输
• 香农定理给出的是有噪声情况下的极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要低不少

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成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，为数据变换为数字信号的过程称为编码。

信号是数据的表现形式，数据为数字和模拟，信号也分数字和模拟，这样就形成了下列 4 中转换方式。

1. 数字数据编码为数字信号

数字编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号的频率的情况下，直接传输数字信号。常见的编码方式有非归零编码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码和 4B/5B 编码

2. 数字数据调制为模拟信号

在发送端将数字信号转为模拟信号，在接收端将模拟信号还原为数字信号

3. 模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)。它主要分为三步，即采样、量化和编码

采样定理

将模拟信号转为数字信号时，假设原神信号中的最大频率为$f$，那么采样频率$f_1$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

• 采样是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变为时间上离散的信号。
• 量化是把采样取得的电平按照一定的分级标度转化为对于的数字并取整数，比如0~255。
• 编码就是把量化的结果转化为与之对应的二进制编码。

4. 模拟数据调制为模拟信号

把模拟数据加载到模拟的载波信号中进行传输

2.1.4 电路，报文，分组交换

1. 电路交换

电路交换是“直通”，在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径，该路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。

因此，电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。

从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的关键点是，在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽。

电路交换的优点：

• 通信时延小
• 有序传输
• 没有冲突
• 适用范围广，模拟和数字都适用
• 实时性强
• 控制简单

电路交换的缺点

• 建立连接时间长
• 线路独占，使用效率低
• 灵活性差，通路中任何一点故障，通信都会失效
• 难以规模化

2. 报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有源地址、目标地址等信息。报文交换在结点采用的是存储转发的传输方式。

报文交换的优点：

• 无需建立连接。用户可以随时发送报文
• 动态分配线路。当交换设备接受报文，交换设备可以先存储报文，然后选择一条空闲的线路再发送
• 提高线路可靠性。一个路径发生故障，可以重新计算可选择另一条路径
• 提高线路利用率
• 提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目标

报文交换的缺点：

• 结点转发报文需要事件，产生转发时延
• 报文大小没有限制，结点设备需要较大的缓存空间

3. 分组交换

分组交换解决了报文交换中大报文传输的问题。

如何解决的？分组交换限制了每次传送的数据块的大小，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，构成分组(Packet)。网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据控制信息选择下一个结点，直到到达目的结点。

分组交换的优点：

• 无建立时延
• 线路利用率高
• 在报文交换的技术上简化了存储管理
• 流水线式的逐个传输数据包，加速了传输
• 减少了出错概率和重发数据量

分组交换的缺点：

• 存在传输时延（结点间转发）
• 需要传输额外的信息量（分组控制信息）
• 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序，丢失或重复分组，分组到达目的结点时，需要按分组编号进行排序操作，因此变得麻烦
• 若分组交换采用虚电路服务，虽然没有失序问题，但有呼叫建立，数据传输和虚电路释放三个过程

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。这两种方式都有网络层提供。

1. 数据报

假定主机 A 要向主机 B 发送分组。

• 主机 A 将分组逐个发往与它直接相连的交换结点 A ，交换结点 A 缓存收到的分组。
• 然后查找自己的转发表。由于网络状态随时变化，有的分组转发给结点 C ，有的分组转发给结点 D。
• 网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机 B。 当分组在某一链路上传送时，分组并不占用网络的其他部分资源。

数据报服务具有以下特点：

• 发送分组前不需要建立连接。
• 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，分组不一定按序到达目的地，正确顺序需要按编号还原
• 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理
• 网络具有冗余路径

1. 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。

在分组发送之前，要求发送方和接收方之间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。

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，以区别本系统中的其他虚电路。

在传输数据时，每个数据分组不仅要有分组好，校验和等控制信息，还要有它通过的虚电路号。

虚电路的工作原理

• 未进行数据传输，主机 A 与主机 B 之间先建立一条逻辑通路，主机 A 发出一个特殊的“呼叫请求”分组，若主机 B 同意连接，则发送“呼叫应答”分组。
• 虚电路建立后，主机 A 就可向主机 B 发送数据分组。当然也可以反过来
• 传输结束后，主机 A 通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路，逐渐断开整个连接

虚电路服务具有以下特点：

• 通信链路的创建和拆除需要时间，对小量数据交换显得浪费，对长时间，频繁的数据交换而言效率较高
• 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段
• 虚电路提供可靠的通信功能
• 和电路交换类似，结点出现故障会导致虚电路失效
• 分组首部不包含目的地址，而包含虚电路标识符

2.2 传输介质

传输介质也称传输媒体，它是发送设备和接收设备的物理通路。

传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质。

在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固定媒介传播，而非导向传输介质可以是空气、真空或海水等。

2.2.1 双绞线，同轴电缆，光纤与无线传输介质

1. 双绞线

双绞线（英语：Twisted pair）是由两条外面被覆塑胶类绝缘材料、内含铜缆线，互相绝缘的双线互相缠绕（一般以顺时针缠绕），绞合成螺旋状的一种电缆线。双绞线可减少发送中信号的衰减、减少串扰（英语：crosstalk）及噪声（英语：Noise）、并改善了对外部电磁干扰的抑制能力。 它是由亚历山大·格拉汉姆·贝尔发明的[1]。一百多年来，一直用于电话网。过去主要是用来传输模拟信号的，但现在同样适用于数字信号的传输，属于信息通信网络传输介质。

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2. 同轴电缆

同轴电缆（Coaxial cable）是一种电线及信号传输线，一般是由四层物料造成：最内里是一条导电铜线，线的外面有一层塑胶（作绝缘体、电介质之用）围拢，绝缘体外面又有一层薄的网状导电体（一般为铜或合金），然后导电体外面是最外层的绝缘物料作为外皮。根据尺寸来分同轴电缆则有不同标准规格，从 1/8 英寸到 9 英寸直径不等。

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3. 光纤

光导纤维，或称光学纤维（英语：Optical fiber），简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常光纤的一端的发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲发送至光纤中，光纤的另一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。包含光纤的线缆称为光缆。

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4. 无线传输介质

在计算机网络中，无线传输可以突破有线网的限制，利用空间电磁波实现站点之间的通信，可以为广大用户提供移动通信。最常用的无线传输介质有：无线电波、微波和红外线。

无线电波的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

微波是指频率为 300MHz-300GHz 的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。

红外通信是利用 950nm 近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

2.2.2 物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不指具体的传输媒体。

物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层只考虑本层的协议和服务。

物理层的主要任务可以描述为一些特性：

• 机械特性。引线数量，引脚数量，引脚排列情况等
• 电气特性。电压高低，阻抗匹配，传输速率，距离限制等
• 功能特性。电压表示的意义，信号线的用途等
• 规程特性。物理线路的工作规程和时序关系

常用的物理层接口标准有 EIA RS-232-C、 EIA-422、 EIA-423、RS-449、RS-485、DSL、ADSL、ISDN、SONET/SDH、USB、Bluetooth 等

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

中继器又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出，以消除信号经过一长段电缆后，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减。

中继器是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单、最廉价的互联设备。使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。

从理论上将，中继器可以无限使用来延长网络，但由于网络标准对信号的延迟范围做出了具体规定，所以中继器的连接时有规范的

在 10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器不能超过 4 个，而且 4 个中继器串联的 5 段中只有 3 段可以挂接计算机。这就是所谓“5-4-3 规则”

放大器和中继器

放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的使模拟信号，原理是将衰减的模拟信号放大，而中继器放大的使数字信号，原理使将衰减的信号整形再生。

2.3.2 集线器

集线器(Hub)实质上时一个多端口的中继器，当 Hub 工作时，一个输入端口接收到数据信号后，对信号进行整形放大再生，然后再转发到其他的输出端口。

由于集线器会把收到的任何数字信号，经过再生或放大，再从集线器的所有端口提交，这会造成信号之间碰撞的机会很大，而且信号也可能被窃听，并且这代表所有连到集线器的设备，都是属于同一个碰撞网域以及广播网域，因此大部分集线器已被交换机取代。