【计算机网络 谢希仁 第八版笔记】第二章 物理层

计算机网络 第二章 物理层

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【计算机网络 谢希仁 第八版笔记】第一章 概述

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2.1. 物理层的基本概念

物理层的作用正是尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段地差异，使物理层上面地数据链路层感觉不到这些差异，这样数据链路层只需要考虑如何完成本层地协议和服务，而不必考虑网络具体地传输媒体和通信手段。

可以将物理层地主要任务描述为确定与传输媒体地接口有关的一些特性：

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

• 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的意义。

• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信链路一般都是串行传输方式，即逐个比特按照时间顺序传输。

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以划分为三大部分：源系统（发送端或发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端或接收方）。

源系统一般包括：

• 源点：源点设备产生要传输的数据。
• 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。

目的系统一般包括：

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能被目的设备处理的信息。
• 终点：终点设备从接收器获取传送过来的数字和比特流，然后把信息输出。

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。根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可以分为以下两大类：

• 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。代表不同离散数值的基本波形称为码元（二进制编码只有0和1）。

2.2.2. 有关信道的几个基本概念

信道和电路并不等同，信道一般都是用来表示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，有以下三种基本方式：

• 单向通信（单工通信）：只能由一个方向的通信而没有反方向的交互，例如无线电广播或有线电广播。
• 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送消息，但不能同时发送也不能同时接收。
• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方都可以同时发送和接收消息。

来自信源的信号常称为基带信号，基带信号包含较多的低频成分，甚至有直流成分。而许多信道并没有传输这种低频分量或直流分量，所以要对基带信号进行调制。调制分为两大类：

• 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号，这个过程叫做编码。
• 带通调制：使用载波进行调制，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。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）

常用的编码方式：

基本的带通调制方法：

2.2.3. 信道的极限容量

奈氏准则：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）。传输速率超过这个上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。例如，信道的带宽为4000Hz，那么最高码元传输速率就是每秒8000各码元。

信噪比：如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小，因此信噪比很重要，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（dB）。

香农公式：W为信道带宽（Hz），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部高斯噪声功率。

香浓公式表明，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，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，就一定存在某种方法来实现无差错传输。香农公式没有考虑一些外部的影响。

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。

香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

如果带宽和信噪比已经确定，且码元传输速率也达到上限，那么我们可以用编码的方式来让每一个码元携带更多比特的信息量，例如我们可以用三个比特位变为一个组，3个比特编为8组不同排列，用8种不同的振幅、频率、相位进行调制。

2.3. 物理层下面的传输媒体

传输媒体分为两大类：

• 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：指的是自由空间，电磁波的传输常称为无线传输。

2.3.1. 导引型传输媒体

• 双绞线：也称为双纽线，是最古老又是最常用的传输媒体

  • 组成：把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方式绞合起来。
  • 关系：绞合度越高，可用的数据传输率越高。
  • 方法：为了提高抗干扰能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的干扰，可以增加绞合度和增加电磁屏蔽的方法。
  • 运用：局域网基本采用双绞线。

  双绞线分为两大类：无屏蔽双绞线UTP（无屏蔽层、价格便宜）、屏蔽双绞线STP（带屏蔽层、都必须有接地线，传输速率较高时可用）

• 同轴电缆：

  • 组成：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层以及绝缘保护套层组成。外导体屏蔽层的作用使其具有很好的抗干扰性。
  • 运用：有线电视网的小区。

• 光缆：光缆就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信的，有光脉冲为1，无光脉冲为0.

  • 发送端：要有光源，在电脉冲的作用下能产生光脉冲。
  • 光源：发光二极管、半导体激光器等。
  • 接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成。
  • 传播方式：光线在纤芯中的传输方式是不断地进行全反射。
  • 优点：通信容量大：传输损耗小，中继距离长，对长距离传输特别经济；抗雷电和电磁干扰性好；无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据；体积小重量轻。

  多模光纤：可以存在多条不同角度入射地光线在同一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合近距离传输。

  单模光纤：其直径减小到一个光的波长，可使光线一直向前传播而不会发生多次反射。成本高衰耗小，光源只可以是半导体激光器。

2.3.2. 非导引型传输媒体

在使用无线传输时，有时基站向手机发送的信号被障碍物阻挡，无法直接到手机，但基站发出的信号可以被障碍物多次反射到达手机，这个过程中会导致很大的失真，这是多径效应。当利用无线信道传输数据时，必须使误码率（即比特错误率）不大于可容许的范围。三个概念：

• 信噪比越大，误码率越低。
• 对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。
• 如果用户在进行通信时还在改变自己的位置，这回导致信道特性改变，因此信噪比和误码率会发生编码。

卫星通信的特点：通信距离远；通信容量大；较大的传播时延；覆盖面广；保密性相对较差；费用高；维护等。

2.4. 信道复用技术

2.4.1. 频分、时分和统计时分复用

• 频分复用FDM：有N路信号要在一个信道中传输，可以使用调制的方法，把各路信号分别搬移至适当的频率位置，使彼此互不干扰。频分复用的各路信号在同样时间占用不同的频率带宽资源。
• 时分复用TDM：所有用户是在不同时间占用相同的频带资源。时分复用更有利于数字信号的传输。

频分多址接入FDMA：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。

时分多址接入TDMA：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。

在进行通信时，复用器总是和分用器成对使用。复用器和分用器之间是共享的高速信道。

时分复用会导致信道利用率不高，当用户在某一时间暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

• 统计时分复用STDM：STDM是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道地利用率，集中器常使用这种方式。STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此可以提高线路的利用率。

2.4.2. 波分复用

波分复用WDM就是光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个频率接近的光载波信号。在一根光纤上复用数量多则称为密集波分复用DWDM。

2.4.3. 码分复用

码分复用CDM可以使得每个用户在相同时间使用相同的频带进行通信，各用户使用经过特殊处理的不同码型，因此不会造成干扰。

CDMA设备价格不高，体积不大；提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率。

2.4.4. 码分复用原理与计算

• 每一个比特时间划分为m个短的间隙，称为码片。
• 每个站被指派一个唯一的mbit码片序列：
  • 如果发送1，则发送自己的mbit码片序列；
  • 如果发送0，则发送自己该码片序列的二进制反码
• 例如，S站的8bit码片为00011011
  • 发送比特1时，就发送序列00011011
  • 发送比特0时，就发送序列11100100
• S站的码片序列：-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1，因为0表示-1
• 假定S站要发送信息的数据率时b bit/s，由于每个比特要转化成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。
• 这种通信方式时扩频通信的一种：直接序列扩频DSSS，还有一种是调频扩频FHSS

2.5. 数字传输系统

早期电话网长途干线采用频分复用FDM的模拟传输方式。目前大多采用时分复用PCM的数字传输方式。在数字化的同时，光纤成为长途干线最主要的传输媒体。

2.6. 总结

• 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点(或源站、信源) 和发送器，目的系统包括接收器和终点(或目的站、信宿)。
• 通信的目的是传送消息。话音、文字、图像、视频等都是消息。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。
• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号(或连续信号)和数字信号(或离散信号)。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
• 根据双方信息交互的方式，通信可以划分为单向通信 (或单工通信)、双向交替通信(或半双工通信)和双向同时通信(或全双工通信)。
• 来自信源的信号叫作基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。
• 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能被任意地提高。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体(双绞线、同轴电缆或光纤)和非导引型传输媒体(无线、红外或大气激光)。
• 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用(光的频分复用)。