[计算机网络(第八版)]第二章物理层（学习笔记）

网络层是网络体系结构的最低层，不是具体的传输媒体，也不是连接计算机的具体物理设备

2.1 物理层的概念

物理层考虑的是怎样才能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。
物理层的作用：
- 要尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，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和通信手段是什么。
- 为数据链路层提供一个统一的数据传输服务
- 数据链路层将比特流传送给物理层，物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码，然后将信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。
- 物理层规程就是物理层协议。
将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即:
1. 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、固定和锁定装置等。
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。
- 因此物理层还要完成传输方式的转换。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分：
- 源系统（或发送端、发送方）
- 传输系统（或传输网络）
- 目的系统（或接收端、接收方）
通信是在源点与终点之间传递消息或者信息
- 消息：
  - 能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、语言、图像等
  - 能被通信双方理解，可以互相传递
  - 信息是包含在消息中对通信者有意义的那部分内容
  - 消息是信息的载体
通信的目的：
- 传送消息
数据：
- 运送消息的实体
- 数据分为模拟数据和数字数据
- 数据是对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达
信号：
- 数据的电气或电磁的表现
- 信号是消息的载体
- 在通信系统中，消息是通过电信号来传递的
- 电信号有模拟信号和数字信号
模拟信号：
- 或称连续信号
- 代表消息的参数的取值是连续的
数字信号：
- 或离散信号
- 代表消息的参数的取值是离散的

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道
- 一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
- 信道是信号传输的通道（传输媒介）
按数据信号在信道上的传送方向和时间的关系，传输方式有以下三种：
1. 单向通信：
  - 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
2. 双向交替通信：
  - 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
  - 这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
3. 双向同时通信：
  - 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号：
- 来自信源的信号，即基本频带信号。
- 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。
- 基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量
调制：
- 为了解决许多信道不能传输低频分量或直流分量的问题，为了实现信号可以在信道中传输
- 调制分为两大类：
  - 基带调制：
    - 对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。如1用高电平表示，0使用低电平表示
    - 变换后的信号仍然是基带信号。
    - 由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，这种过程称为编码(coding)。
  - 带通调制：
    - 需要使用载波(arrier)进行调制，把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，使信号能够更好地在模拟信道中传输。
    - 经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)
    - 使用载波的调制称为带通调制。
转变为数字信号（不同形式），为编码
转变为模拟信号，为调制（带通调制）

（1）常用编码方式

在这里插入图片描述

不归零制：
- 正电平代表1，负电平代表0。
- 该方式无法区分有多少个比特
归零制:
- 正脉冲代表1，负脉冲代表0。
- 表示每个比特的电信号最终都会归0
曼彻斯特编码：
- 位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。
- 也可反过来定义。
- 每个比特至少跳变一次
差分曼彻斯特编码：
- 在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1
- 下一个比特为0，进行跳变；下一个比特为1，不进行跳变
曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。
不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(这叫作没有自同步能力)，而曼彻斯特编码(曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码)具有自同步能力。

（2）基本的带通调制方法

将信号转变为模拟信号，同时提升信号的频率范围

在这里插入图片描述

调幅(AM)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。
为了达到更高的信息传输速率，采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。如，正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

码元

码元：
- 在使用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。
- 使用二进制编码时，只有两种不同的码元：0状态，1状态;
- 1个码元可以携带多个比特的信息量，将多个比特合成一个更高的电平，如 $111)_2$ 使用电平7表示，一个电平可以对应三个比特的信息，一个码元可以表示三个比特
- 当码元的离散状态有M个时(M>2) ，此时码元称为M进制码元。

2.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都是不理想的，在传输信号时会产生各种失真以及多种干扰，信号在信道传输不能以任意高的速率传输
- 失真的原因:
  - 信号传输的距离远
  - 传输媒体质量越差
  - 噪声干扰
限制码元在信道上的传输速率的两个因素:
- 信道能够通过的频率范围
- 信噪比
信道能够通过的频率范围
- 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。
- 码间串扰：
  - 如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。
- 奈氏准则：
  - 给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
  - 在带宽为W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
  - 奈式准则给出了码元传输速率的限制，没有对信息传输速率给出限制，在v进制码元情况下，理想低通信道的极限数据传输率为 $2Wlog_2(v)$ (b/s)
信噪比
- 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，通常使用分贝作为度量单位
- 信噪比单位转换： $log_{10}(\frac{S}{N}) (dB)$
- 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中
- 噪声的影响是相对的
- 香农公式：
  - 香农公式指出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限无差错的信息传输速率
  - 香农公式指出信道的极限信息传输速率C是 $log_2(1+\frac{S}{N}) (bit/s)$
  - 式中，W为信道的带宽（以Hz为单位)，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
  - 香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
  - 香农公式指出了信息传输速率的上限。
  - 香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。
对于频带宽度确定，信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，提高信息的传输速率的方法，用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
奈氏准则与香农定理的意义不同：
- 奈氏准则：
  - 激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量;
  - 找传输速率的上限
- 香农公式：
  - 告诫工程人员在有噪声的信道上，任何编码技术，不能突破香农定理给出的信息传输速率。
  - 找无差错的极限传输速率

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类：
- 导引型传输媒体
  - 电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播
- 非导引型传输媒体
  - 指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

2.3.1 导引型传输媒体

1. 双绞线

双绞线
- 也称为双扭线
- 是最常用的传输媒体
- 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。
- 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。绞合程度越高，可用的数据传输速率越高
双绞线的两大类
- 无屏蔽双绞线
- 屏蔽双绞线，带屏蔽层，信号保密性更好
双绞线既可传输模拟信号，又可传输数字信号
一般认为双绞线的最远传输距离为100m
T568B标准：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕

2. 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（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（也可以是单股的）以及绝缘保护套层所组成
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3. 光缆

光纤通信
- 利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信的。
- 有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。
- 由于可见光的频率非常高，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
- 光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利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。
- 光纤通信利用的是无源光(不需要电源)
- 光纤通信传输利用了光的全反射
多模光纤
- 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
- 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。
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，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
- 单模光纤的损失小，适合远距离传输
光纤通信的优缺点
- 优点:
  - (1)通信容量非常大。
  - (2)传输损耗小，中继距离长。
  - (3)抗雷电和电磁干扰性能好。
  - (4)无串音干扰，保密性好。
  - (5)体积小，重量轻。
- 缺点:
  - (1)质地脆，机械强度差。
  - (2)连接困难。
  - (3)弯曲半径不能过小。
  - (4)分路、耦合不灵活。
  - (5)怕水。

2.3.2 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体利用无线电波在自由空间传播实现通信
微波接力
- 远距离微波通信的中继站把前一站送来的信号放大后再发送给下一站
- 由于地球表面为曲面，微波的有效传输距离一般为50km，为了实现更远距离传输，需要微波接力
- 多径效应
短波通信(高频通信)主要靠电离层的反射

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用

最基本的复用：频分复用、时分复用
频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
- 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
- 所有用户在同样的时间占用不同的带宽(即频带）资源。
- 总频率宽度大于各子信道频率之和，各子信道传输的信号以并行方式工作。
- 频分复用充分利用带宽，效率高，易实现。
时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
- 将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。
- 每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
- 每一路信号所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)的。
- TDM信号也称为等时(isochronous)信号。
- 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
频分多址接入FDMA (Frequency Division Multiple Access)
- 可让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。这种方式称为频分多址接入FDMA ，简称为频分多址。
时分多址接入TDMA (Time Division Multiple Access)
- 可让N个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这N个时隙。这种方式称为时分多址接入TDMA，简称时分多址。
- MA表示多址，表示这个信道可以让多个用户接入
时分复用与空分复用需要复用器与分用器
由于计算机数据的突发性，时分复用该方式在用户没有数据传输时只能让已分配到的信道空闲，其他用户也无法使用，降低信道的利用率
统计时分复用STDM（Statistic TDM）
- 是一种改进的时分复用
- 各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM 帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。
- STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。
- 统计时分复用可以提高线路的利用率。
- 统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。
- 由于STDM 帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户的，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须有的和不可避免的一些开销。

2.4.2 波分复用

波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)
- 就是光的频分复用。
- 将两种或多种不同波长的光载波信号，在发送端经复用器把这些光载波信号汇合在一起使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

2.4.3 码分复用

码分复用CDM (Code Division Multiplexing)
当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。
码分复用中每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。
使用CDMA 的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。
一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。为了方便，我们按惯例将码片中的0记为-1，将1记为+1。
扩频
- 现假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。
- 把原来的一个比特切分称多个成为M进制码元，传输时使用更高的电平表示M进制码元
- 扩频通信通常有两大类：
  - 直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如使用码片序列
  - 跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
数学表示码片序列的正交关系
- 令向量S表示站S的码片向量，再令T表示其他任何站的码片向量。
- 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0：
  - $\boldsymbol{S} \bullet \boldsymbol{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} T_{i}=0$
- 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积为1
- 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积为-1