计算机网络技术之物理层

一、基础知识

1、物理层主要任务

 物理层主要描述下列功能：

• 机械特性：接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定、锁定装置等。
• 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围
• 功能特性：指明某条线上出现的各种可能事件的出现顺序
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2、数据通信的基础知识

 数据通信系统由源系统、传输系统和目的系统组成。

数据通信的流程：输入信息 → 源点 → 发送器 → 传输系统 → 接收器 → 终点。

 通信的目的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现。

• 模拟信号（或连续信号）：代表消息的参数取值是连续的。

• 数字信号（或离散信号）：代表消息的参数取值是离散的。

• 编码：将信号转换为数字信号，又称为基带调制。

  包括采样、量化和编码三个步骤，其中采样的频率应该大于最大频率的两倍，即$f_{采样} \geq 2 \times f_{max}$

  如脉冲编码调制（PCM）

• 调制：将信号转换为模拟信号，又称为带通调制。

  如**频分复用（FDM）**就是使用了调制。

3、编码与调制方式

编码方式：

• 不归零调制（NRZ）：高电平代表1，低电平代表0；
• 归零制（RZ）：正脉冲代表1，负脉冲代表0；这里与王道考研有点区别，还是以谢书为主。
• 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：位中心向上跳变代表0，向下跳变代表1；以太网常采用此编码。
• 差分曼彻斯特编码：位中心都有跳变。位开始有跳变代表0，位开始没有跳变代表1；
• 反向非归零编码（NRZI）（补充）：信号翻转代表0，信号不变代表1。
• 4B/5B编码（补充）：将数据流每4位为一组，加上一位变成5位。5位码对应32种可能，其中16种作为原来的4位码的16种可能，另外16种作为控制码或保留。

 从信号波形来看，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零编码高。从自同步能力来看，不归零编码不能提取时钟频率，而曼彻斯特编码具有自同步能力。

带通调制方式：

• 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号变化。
• 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号变化。
• 调相（PM）：载波的相位随基带数字信号变化。

 为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元振幅相位混合调制方法，如正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

4、信道的分类

 从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：单工信道，只能从一个方向发送给另一个方向而不能反着发的交互。如广播电台和有线电视等。
• 双向交替通信：半双工通信，通信双方都能收发，但是不能同时收发。
• 双向同时通信：全双工通信，通信双方都能同时收发。

二、奈奎斯特定理与香农定理

理想信道（无噪声）

 奈奎斯特提出奈式准则：$C = 2Wlog_2V$，其中：

• C：代表传输速率，单位b/s。
• W：代表带宽，单位Hz。带宽这里指的是信道宽度了，其他地方一般指最高传输速率（b/s）。
• V：多少种不同的状态。$log_2V$代表了多少比特。
• 码元与比特关系：比特才是真正的数据信息，码元只是传输时候的数据。最后，一码元需要转化成若干比特才行的。一码元如果只有两种状态，那么只能携带两种信息。一码元如果有16种状态，那么就能携带4比特信息。所以，$比特=log_2码元$。
• 值得 注意 的是：采样频率应该大于等于带宽的两倍，默认就用两倍

 因此奈奎斯特传输定理是限制码元传输速率，也就是最高能传输2W的码元信息，然后要想提高比特信息。那么就需要提高每一个码元的状态。如使用0~7V电平代表一个码元（一个码元对应8种状态），那么就能传输3bit数据。

有高斯白噪声

 香农定理提出高斯白噪声干扰下传输速率。$C = Wlog_2(1+\frac{S}{N})$，其中：

• C：传输速率，bit/s
• W：带宽，Hz
• S/N：信噪比，信号的平均功率与噪声的平均功率比值。可以直接用数字表示，无单位。也可以用dB表示。
• 信噪比：$1dB = 10log_{10}(\frac{S}{N})$，如S/N=10，就是代表信噪比10dB，S/N=1000时，代表信噪比为30dB。
• 常用数值：$log_2(1+1000)=9.967 \approx 10 \quad log_2(1+10)=3.459 \approx 3.5$

 香农定理限制的直接是比特传输速率。

总结

• 奈奎斯特定理：无噪声，码元传输速率
• 香农定理：有高斯白噪声，数据传输速率

 奈奎斯特定理和香农定理，一个说明了码元的最大传输速率（2W），一个说明了比特最大传输速率，两者结合，说明一码元能够携带的比特数是有最大值的。以及采样定理可知，如果告知采样频率，那么带宽W = f/2，f为采样频率。

 题目中，应该将两个定理的理论最大值都算出来，取较小的。

 波特率指码元传输速率，比特率指比特传输速率或数据传输速率。$比特率(b/s) = 波特率(Baud) \times log_2V$

三、信道复用技术

复用与分用

 复用是指，多路数据同时使用一个信道来传输。分用是指，将一个信道中的数据分开成多路。

频分复用（FDM）

 将一条信道上带宽（频带宽度）分成多个宽带，每个宽带都能给一路数据进行传输，所以同时就能给多路数据进行传输。如果加入更多的用户，那么只能增加频带宽度，但是每个用户的速度是不变的。

 采用的**频分多址接入（FDMA）**技术达到频分复用。

时分复用（TDM）

 时间划分成一个一个的TDM帧，每个TMD帧划分成多个时间段，每个时间段为一路数据进行传输。增加用户，只能将每个用户占用的时间间隙分割更小，所以越多的用户会导致传输速度变慢。

 采用**时分多址接入（TDMA）**技术达到时分复用。

 **统计时分复用（STDM）**是一种改进的时分复用技术，明显提高利用率。普通的时分复用中，如果当前用户分配到时间间隙，但是该用户没有信息要发送，那么信道就是空的。而统计时分复用便是，当前用户没有数据需要发送，那么讲会顺延给下一个发送数据的用户，以此类推，大大提高利用率。

 下图便是造成时间段浪费的示意图：

 统计时分复用能够更好地利用信道：

波分复用（WDM）

 就是光的频分复用，只在光纤通信中用的复用技术。不用波长的光代表不同用户的数据。

码分复用（CDM）

 采用**码分多址（CDMA）**技术，用户使用同样的频带进行通信，但是每个用户挑选不同的码型，因此不会互相干扰。通信的频率应该变成了原来的m倍，因为原来1单位的数据，已经被扩充到m单位了。

过程讲解：

• 在一个比特时间再划分m个短的间隔，称为码片（chip），通常为64或128
• 每个站被指定不同的mbit码片序列，且每个站码片序列必须正交（规格化内积为0）
• 如果需要发送比特1，就发送自己的码片序列；如果发送比特0，就发送码片序列的反码。
• 接收方，只需要用发送方的码片序列对接收到的信息进行规格化内积即可。

为什么不会冲突讲解：（规格化内积：$S \cdot T = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m} S_iT_i$）

 将0记为-1，1记为+1。我们已知，S与自己的规格化内积为1，与T的规格化内积为0。S的反码记为S’，T的反码记为T’。显然有，S与S’的规格化内积为-1，S’与T的规格化内积为0。对T也一样。

 假设S发送的数据为$S_x$，T发送的数据为$T_x$。两者数据之和为：$D = S_x + T_x$。用S的码片序列和D进行规格化内积有：$D\cdot T = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i(S_{xi}+T_{xi}) = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} (S_iS_{xi}+S_iT_{xi}) = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_iS_{xi}$，因为$S_x \cdot T_x = 0$，所以，最后算出来要么是+1，要么是-1，要么是0。代表着，要么发送了1，要么发送了0，要么$S_x$为空，即没有发送数据。对于T也是一样的，也能够从总共的信息中提取出T的信息。

四、通信技术

 这个在第一章也有提到，这里着重讲解下

1、电路交换

 双方通信之前，需要先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，该路径途径许多节点，这些节点都被双方占用（第三方无法使用）。连接建立、数据传输和连接释放。

• 优点：

  时延小、有序传输、没有冲突、适用范围广，实时性强、控制简单

• 缺点：

  建立连接时间长、使用率低、灵活性差、难以规格化

2、报文交换

 数据交换单位是报文，将整个报文保存，待收取成功后再将整个报文转发。

• 优点

  无须连接、动态分配线路、提高线路可靠性、提高线路利用率、提供多目标服务、有序到达、有差错检验和控制

• 缺点

  利用率比分组交换低，差错开销比分组交换高，重发数据量大。

3、分组交换

 同报文交换，不过分组交换是将报文拆分成几段，依次保存。

• 优点

  无连接时延、线路利用率最高、简化了存储管理、加速传输、减少了出错概率和重发数量

• 缺点

  存在传输时延，分组容易失序或丢失，额外信息量大

4、数据报

 分组交换的一种方式。将多个分组转发到通信子网中，每个分组选择的路由不一定相同，达到时间不一定相同。不建立连接。每个分组都需要有源地址和目的地址。

5、虚电路

 分组交换的一种方式。先建立一条逻辑通路，面向连接。同一虚电路的数据，路由都想同。分组有序到达。包括永久性和临时性连接。仅仅在建立连接时需要源地址和目的地址，之后只需要虚电路号。

五、物理层物理设备

1、传输介质

 传输媒体又称为传输介质或传输媒介。

• 1、双绞线：分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。价格便宜

• 2、同轴电缆：

• 3、光缆：

  1）传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济实惠

  2）抗干扰强，体积小，重量轻

• 4、无线电波：如WLAN等，信道容量大

• 5、微波、红外线和激光：使用卫星，激光器，红外发射接收器等。

如10GBase-T，10Gb/s传输速率的双绞线。

2、设备

（1）中继器

 中继器就是长远距离传送中的，会发生信号损失，需要中继器进行放大再传，相当于透明传输，仅作用电气特性。中继器没有存储转发功能，所以不能连接两个物理层不同协议或不同传输速率的网段，更不会进行差错控制等手段。中继器放大的是数字信号（不是简单的振幅放大，是将快辨别不清楚的数字信号重放），放大器放大的是模拟型号。在10BASE5的以太网规范中，最多只能由4个中继器。

（2）集线器

 是多端口中继器，多根线路接在同一个集线器上面，一个端口发送过来的数据，会转发到除输入端口外的其他所有端口。所有，集线器不能隔离冲突域，也不能隔离广播域。因此，如果一个带宽为10Mb/s的集线器连接了8台计算机，那么每台计算机的带框为10Mb/s / 8 = 1.25Mb/s。是星形的拓扑结构。