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第二章 物理层

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通信基础

IMPROTANT

TCP/IP的网络接口层没有定义，所以结合OSI的下层数据链路层和物理层来辅助理解计算机网络模型

物理层的任务是实现相邻节点之间的比特（0或1）传输

通信基础概念

  • 信源：信号的来源

  • 信宿：信号的归宿（接收方）

  • 信号（数据）：数据的载体（数字，模拟）

  • 数据：信息的实体，二进制

  • 信道：信号的通道（发送信道，接收信道）

  • 码元：一个信号称为一个码元，信号周期称为码元宽度 一个信号可以表示多个二进制位，例如1V代表1，-1V代表0，2V代表01，-2V代表10，可以让一个码元携带更多信息，代价是需要加强信号功率

    • 进制：两个bit对应4进制，可称4进制码元、8进制码元等
    • 也就是说一个码元可以携带 bit数据，K是信号的种类数

  • 波特率：每秒传输多少码元，单位：波特（Baud)

  • 比特率：每秒传输多少bit 单位：b/s，bit/s，bps等

信道复用

  • 复用：在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号
    • 充分利用传输媒体的带宽
    • 复用信道数量大时比较划算（通信成本的增加不亏）

频分复用FDM

  • 子信道不同频带，信道之间有隔离频带
  • 频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源发送数据
    • 同时发送，充分利用带宽
    • 只能用于模拟信号的传输

波分复用WDM

  • 光的频分复用，同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号
  • 也称为密集波分复用DWDM
  • 由于频率很广，可以拆成多个子频道

时分复用TDM

  • 在用户自己的时隙内使用信道
    • 时隙可能闲置，利用率低
  • 一个周期帧称TDM帧
  • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带，是信道总带宽的1/m

统计时分复用STDM

  • 统计每个节点对信道的使用需求，按需动态分配时隙
  • 有需要时可以一个节点可以获得所有的信道带宽
  • 利用率高

码分复用CDM

  • 又称码分多址（CDMA）
  • 相同时间相同频带，抗干扰能力强
  • 将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片（chip）
    • 码片只有 0 1

原理：

  • 每个站点指派一个唯一的m比特码片序列
  • 发送 1，就发送自己的序列
  • 发送0，就发送反码（规格化内积）
    • 每个序列不同（伪随机码序列），相互正交，规格化内积为0
    • 因此可以叠加传输，因为其他无关信息的接受结果会是0
    • 当接收后计算结果为 1，则比特1，如果 -1，则比特0

香农定理，奈氏准则

  • 带宽：
    • 表示信道所能通过的最高数据率 b/s
    • 通信中表示某信道允许通过的信号频率范围 Hz 本质是都是描述信道的传输能力

奈氏准则（奈奎斯特定理）

在理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道）中，极限波特率是2W个码元（码元/秒），也就是2W W是信道频率带宽（Hz）

波特率要是高于2W，则码间串扰，接收方无法识别，没有对一个码元能携带多少比特做出解释

香农定理

有噪声的、带宽有限的信道中，极限比特率为 (b/s)

  • W信道频率
  • S/N 信噪比 （信号功率 / 噪声的功率） 信噪比可以用 单位（dB）

编码和调制

  • 编码：二进制转数字
  • 解码：数字转二进制
  • 调制：二进制转模拟信号
  • 解调：模拟信号转二进制

编码方式

  • 不归零编码（Non-Return-to-Zero) 低0高1，中不变
  • 归零编码（Return-to-Zero) 低0高1，中归零 好处是：不归零编码没有隐含时钟信号，可能分不清高低的边界在哪，而归零每次发完之后归零，有隐含的时钟信息
  • 反向非归零编码（Non-Return-zero-Zero-Inverted) 跳0不跳1看起点，中不变（没有变化就保持1）
  • 曼彻斯特编码 跳0反跳（下跳）1看中间，中必变，那个代表1，自己确定的，相反代表0
  • 差分曼彻斯特编码 跳0不跳1看起点，中必变

固定曼彻斯特和 差分 曼彻斯特区分

二进制信号波形，中间跳转方向与二进制一一(反向）对应，就是曼彻斯特

调制解调

  • 调幅（AM） 幅移键控（ASK）
  • 调频（FM） 频移键控（FSK）
  • 调相（PM） 相移键控（PSK）

正交幅度调制（QAM）

  • 结合AM和PM
  • m种幅值，n种相位调制出mn种信号
  • 称为QAM-num num就是多少种信号

传输介质

传输介质

  • 常用传输介质
    • 导向型：双绞线，同轴电缆，光纤
    • 非导向型：无线传输介质

双绞线

  • 两根导线绞合而成
    • 有屏蔽层 — 屏蔽双绞线（STP)
    • 无屏蔽层 — 非屏蔽双绞线（UTP）
  • 抗干扰能力较好，绞合、屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力
    • 噪声功率降低
    • 信道速度变大
  • 局域网，早期电话线

同轴电缆

  • 内导体 + 外导体屏蔽层（抗电磁干扰）
    • 内导体越粗，电阻越低，传播过程信号衰减越少，传输距离越长
  • 抗干扰能力好，屏蔽层带来的
  • 早期局域网，有线电视

光纤

  • 纤芯 + 包层

  • 光的全反射

    • 以一定的入射角可以全反射，不断的传播

  • 单模光纤

    • 只有一条光线
    • 长距离传输，损耗小
    • 细（9um），甚至不反射

  • 多模光纤

    • 多条光线
    • 近距离传输，易失真
    • 入射角一定，传输过程不变，所以可以在接收时判断角度来判断是哪个信号
    • 更粗

  • 抗干扰能力非常好，对电磁干扰不敏感

  • 优点传输损耗小，长距离中继器少，细，节省布线空间、

以太网对介质的命名规则

速度（Mps）+Base（基带传输，即传输数字信号-曼彻斯特编码）+介质信息（百米）

  • 10Base5 —— 10Mps，同轴电缆，最远500米
  • 10BaseF* —— 10Mps，光纤，* 可以是其他信息
  • 10BaseT* —— 10Mps， 双绞线

无线介质

  • 无线电波
    • 穿透能力强（波长长）
    • 传输距离长，非直线
    • 信号指向性差
  • 微波通信
    • 频率带宽高
      • 频率高，带宽就高，传输能力就增强
    • 信号指向性强，保密性差，高速通信
      • 波长短，指向性就强
    • 卫星
    • WIFI
  • 红外线，激光
  • 都是电磁波

物理层接口特性

  • 机械特性
    • 指明接口所用的接线器形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
  • 电气特性
    • 电压范围、传输速率，距离限制，温度等
  • 功能特性
    • 某一电平的电压意义
  • 过程特性
    • 指明不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层设备

  • 中继器（Repeater）
    • 距离长，信号失真
    • 整形再生（0.5-1.5v低电平，4.5-5.5v高电平，其他无效）
    • 会整形成 1v 和 5v
    • 两个端口，一受一发
    • 半双工通信 不可同时发送数据
    • 两个端口分别对应两个网段
  • 集线器
    • 多端口中继器，将一个端口的信号整形后转发到其他端口
    • N个网段，各个网段属于一个冲突域（碰撞域） —— 信道争用
    • 集线器不能隔离冲突域
    • 物理上星形，逻辑上总线型
  • 特性
    • 不能无限串联（5-4-3原则 5个网段，4台中继器，只有3个可以挂接计算机）
    • 共享带宽
    • 可以连接不同的传输介质，可以连接不同的物理层协议 （做题可能认为不可以）
    • 连接不同速率的网段会导致网段速率向下兼容 （做题可能认为不可以）

冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两台主机处于同一个“冲突域”。

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