「计算机网络」预习：（二）物理层

二、物理层

（一）通信基础

1.基本概念

1. 数据、信号与码元

   • 数据：连续变化的数据称为模拟数据；取值离散的数据称为数字数据。
   • 信号：连续变化的信号称为模拟信号；取值离散的信号称为数字信号。
   • 串行传输、并行传输

   • 码元：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位 k 进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位。

     这个时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。

     1 码元可以携带若干比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：一种代表 0 状态，另一种代表 1 状态。

2. 信源、信道与信宿

   数据通信是数字终端间的通信，系统主要由三部分构成：

   • 信源：产生和发送数据的源头（如计算机）。
   • 信道：信号的传输媒介，是线路的逻辑部件，包含发送信道和接收信道。
   • 信宿：接收数据的终点（如计算机）。

图示为一个单向通信系统的模型，实际的通信系统大多为双向的，包括一条发送信道和一条接收信道，信道可以进行双向通信。

信道的分类：

(1) 按传输信号形式

• 模拟信道：传输模拟信号。
• 数字信道：传输数字信号。

(2) 按传输介质

• 无线信道：如无线电波。
• 有线信道：如双绞线、光纤。

(3) 按传输信号类型

• 基带信号：将数字信号 1 和 0 直接用不同电压表示，在数字信道上传输（基带传输）。
• 宽带信号：将基带信号调制后形成频分复用模拟信号，在模拟信道上传输（宽带传输）。

通信双方的交互方式：

(1) 单向通信：仅一个方向通信，无反向交互，仅需一条信道。

• 例：无线电广播、电视广播。

(2) 半双工通信：双方均可发送 / 接收，但不能同时进行，需两条信道。

(3) 全双工通信：双方可同时发送和接收信息，需两条信道。

3. 速率、波特与带宽

速率也称数据率，指的是数据传输速率，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表示。

若一个码元携带 n 比特信息量，则：信息传输速率 = 码元传输速率 × n（单位：b/s）

带宽存在物理本义和网络应用义两个核心维度，实际网络中以应用义为主。

物理本义：指信号的频带宽度，反映信号的频率范围，单位为赫兹（Hz）。

网络应用义：表示通信线路所能传输数据的最高能力，即单位时间内从一点到另一点可通过的最高数据率，此时单位为比特 / 秒（b/s）。

带宽与数据率存在数值互换关系，是衡量网络通信线路传输能力的核心指标。

2.奈奎斯特定理与香农定理

1. 奈奎斯特定理（奈氏准则）

适用场景： 理想低通信道（无噪声、带宽有限）。

核心公式： $C = 2W \log_2 V$ （单位：b/s）

• $W$：信道带宽（Hz）
• $V$：每个码元的离散电平数目（码元进制数）

核心结论：

1. 任何信道的码元传输速率存在上限，超过则会产生严重码间串扰，导致接收端无法正确识别码元。
2. 信道带宽越宽，可支持的码元传输速率越高。
3. 奈氏准则仅限制码元传输速率，不限制每个码元携带的比特数。要提高数据传输速率，需采用多元制调制方法，让每个码元携带更多比特信息。
4. 香农定理

适用场景： 带宽有限且受高斯白噪声干扰的信道。

• 核心公式： $C = W \log_2 (1 + S/N)$ （单位：b/s）

  • $W$：信道带宽（Hz）
  • $S$：信号平均功率
  • $N$：信道内部高斯噪声功率
  • $S/N$：信噪比（无量纲），也可表示为分贝形式：$\text{信噪比(dB)} = 10 \log_{10}(S/N)$

• 核心结论：

  1. 信道带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
  2. 对于给定的带宽和信噪比，极限传输速率是确定的上限。
  3. 只要传输速率低于该极限，理论上可找到无差错的传输方法。
  4. 香农定理给出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的速率远低于此值。

两者对比：

• 奈奎斯特定理： 仅考虑带宽，限制码元传输速率，未考虑噪声影响。
• 香农定理： 同时考虑带宽和信噪比，给出了更现实的极限信息传输速率，指出一个码元对应的二进制位数是有限的。

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，把数据变换为数字信号的过程称为编码。

数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输；

模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。

数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输，核心目标是有效区分数字信号 “0” 和 “1”，同时兼顾自同步（时钟基准）与传输效率。

基础编码类（核心区分 0/1）

跳变优化类（平衡同步与效率）

效率优化类（解决长连续 0/1 问题）

(6) 4B/5B 编码

• 原理：将每 4 位数据组转换为 5 位码（32 种组合中仅用 16 种对应 4 位数据，其余 16 种作控制码）。
• 目的：解决长串 “0” 导致的同步丢失问题，提高编码效率，减少冗余开销。

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程。

1. 幅移键控 (ASK, Amplitude Shift Keying)

• 原理：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0，而载波的频率和相位保持不变。
• 特点：方法简单，容易实现，但抗噪声和抗干扰能力较差。

2. 频移键控 (FSK, Frequency Shift Keying)

• 原理：通过改变载波信号的频率来表示数字信号 1 和 0，而载波的振幅和相位保持不变。
• 特点：容易实现，抗干扰能力较强，是目前应用较为广泛的调制方式。

3. 相移键控 (PSK, Phase Shift Keying)

• 原理：通过改变载波信号的相位来表示数字信号 1 和 0，而载波的振幅和频率保持不变。

• 分类：

  • 绝对调相：利用相位角本身的数值表示信息。
  • 相对调相 (DPSK)：利用前后码元的相位差表示信息。

4. 正交振幅调制 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation)

• 原理：在载波频率相同的前提下，将 ASK（幅移键控） 与 PSK（相移键控） 结合，形成振幅与相位共同叠加的复合信号。

• 速率公式：

  若波特率为 $B$，调制方式采用 $m$ 个相位，且每个相位有 $n$ 种不同的振幅，则该调制方式的状态数 $V = m \times n$。

  根据数据传输速率（位速率）公式：

  $$R = B \log_2(m \times n) \quad (\text{单位: b/s})$$

模拟数据编码为数字信号

最典型的方式是脉码调制（PCM），用于将模拟信号（如音频）转换为数字信号，包含三个核心步骤：

1. 采样

   定义：对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变为离散信号。

   采样定理（奈奎斯特定理）：若原始信号最高频率为 $f$，则采样频率 $f_{\text{采样}} \ge 2f$，才能保证采样后的信号无失真地代表原始模拟数据。

2. 量化

   定义：将采样得到的电平幅值按分级标度转换为离散的数字值并取整，把连续的电平值转为离散量。

3. 编码

   定义：将量化后的结果转换为对应的二进制编码。

模拟数据调制为模拟信号

• 目的：为了实现传输的有效性，将模拟数据（如声音）加载到更高频率的载波信号上进行传输。
• 技术：可使用 频分复用（FDM） 技术，充分利用带宽资源。
• 应用：电话机和本地局交换机就采用这种方式，将模拟的声音数据加载到模拟的载波信号中进行传输。

4.电路交换、报文交换与分组交换

1. 电路交换

• 核心流程：分为连接建立→数据传输→连接释放三个阶段，建立后通路被双方独占，直到通信结束释放。
• 关键特点：结点采用 “直通方式”，无存储转发耗时；适用于数据量大、传输时间远大于呼叫时间的场景。
• 典型应用：传统电话网。

2. 报文交换

• 核心机制：以 “完整报文” 为单位，交换结点采用存储转发模式，无需预先建立专用通路。
• 关键局限：对报文大小无限制，要求结点具备大缓存空间；转发时延包含存储、校验、排队等环节，效率较低。
• 现状：早期用于电报通信网，现基本被分组交换取代。

3. 分组交换

• 核心改进：将长报文拆分为固定大小的分组，添加源地址、目的地址、编号等控制信息，解决报文交换的大缓存和高时延问题。

• 两种服务类型：

  • 数据报服务：可能出现分组失序、丢失、重复，需接收方排序重组。
  • 虚电路服务：无失序问题，有呼叫建立、数据传输、电路释放三个过程。
• 适用场景：端到端多链路、计算机之间的突发式数据通信（当前互联网的核心交换方式）。

5.数据报与虚电路

1. 数据报服务

• 传输过程：报文拆分为带序号的分组→每个分组独立路由→中间结点短暂存储转发→分组可能经不同路径、无序到达接收方。
• 关键优势：无需建连、故障适应性强、资源利用率高、存储转发时延小。
• 关键劣势：分组可能失序 / 丢失，需主机端负责排序、重传和流量控制。

2. 虚电路服务

• 核心机制：建立阶段分配虚电路号，各结点维护 “虚电路表”（记录电路号、前后结点标识）；传输阶段按虚电路号转发，无需重复选路；结束后发送 “释放请求” 拆除电路。
• 关键优势：分组有序、开销小、网络提供可靠性保障，适合长时高频通信。
• 关键劣势：建连 / 拆连耗时，对交互式短分组通信不经济；故障时虚电路整体瘫痪，容错性差。

（二）传输介质

1.双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

(1) 传输介质分类：

传输介质是数据传输的物理通路，分为两大类：

• 导向传输介质：电磁波沿固体媒介（铜线、光纤）传播，如双绞线、同轴电缆、光纤。
• 非导向传输介质：电磁波在空气、真空、海水等中传播，如无线电波、微波、红外线、激光。

(2) 导向传输介质：

1. 双绞线

结构：两根绝缘铜导线按规则绞合，可减少电磁干扰。

• 非屏蔽双绞线（UTP）：无额外屏蔽层，价格便宜。
• 屏蔽双绞线（STP）：增加金属丝屏蔽层，抗干扰能力更强。

应用：局域网、传统电话网，模拟 / 数字传输均可，通信距离为几千米到数十千米，距离过远需放大器或中继器。

2. 同轴电缆

结构：由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。

分类：

• 50Ω 基带同轴电缆：用于基带数字信号传输，局域网中应用广泛。
• 75Ω 宽带同轴电缆：用于宽带信号传输，主要用于有线电视系统。

特点：抗干扰性好，传输速率高、距离远，但价格高于双绞线。

3. 光纤

原理：利用光导纤维传递光脉冲通信，有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0。

结构：纤芯（高折射率）+ 包层（低折射率），光线在纤芯中通过全反射传输。

分类：

• 多模光纤：允许多条光线同时传输，光源为发光二极管，易失真，适合近距离传输。
• 单模光纤：纤芯极细，光线直线传播，光源为半导体激光器，衰减小，适合远距离（数十千米）传输。

优点：通信容量大、传输损耗小、抗雷电和电磁干扰、保密性好、体积小重量轻。

(3) 无线传输介质：

1. 无线电波

特点：穿透能力强，传输距离远，信号向所有方向散播，接收设备无需对准发射方向。

应用：移动电话、无线局域网（WLAN）等。

2. 微波、红外线和激光

共性：均为视线介质，需收发方之间存在视距通路，方向性强，沿直线传播。

微波通信：频率高、频段宽、通信容量大，地面传播距离有限，需中继接力；卫星通信可利用地球同步卫星实现全球通信，优点是容量大、距离远、覆盖广，缺点是保密性差、传播时延长。

红外线 / 激光通信：将信号转换为红外光或激光信号，直接在空间中传播。

2.物理层接口的特性

物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性:

(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表示何种意义。

(4) 过程特性。或称规程特性。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

常用的物理层接口标准有 EIA RS-232-C、ADSL 和 SONET/SDH等。

（三）物理层设备

1.中继器

1. 核心功能

中继器工作在物理层，主要功能是对信号进行整形并放大再生，以消除信号长距离传输后的失真和衰减，从而扩大网络传输距离。其原理是信号再生，而非简单放大衰减的信号。

2. 工作特点

端口：仅有两个端口，数据从一端输入，另一端输出。

作用范围：仅作用于信号的电气部分，不检测数据错误或适用性。

连接对象：用于连接网段，而非子网。连接后的多个网段仍属于同一个局域网，且两端网段必须使用同一协议，且速率必须相同（因无存储转发功能）。

3. 重要规则与限制

“5-4-3 规则”：在 10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器不能超过 4 个，且用 4 个中继器串联的 5 段通信介质中，只有 3 段可挂接计算机，其余 2 段仅用作链路扩展，不能接计算机。

数量限制：理论上中继器可无限使用，但受网络标准中信号延迟范围限制，超范围会引发网络故障。

4. 与放大器的区别

放大器：放大模拟信号，原理是直接放大衰减的信号。

中继器：放大数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。

2.集线器

1. 本质定义

集线器是一个多端口的中继器，工作在物理层。它本质上并非智能网络设备，而是单纯的信号转发装置。

2. 工作原理

(1) 信号处理：接收信号后进行整形放大再生（恢复信号），并转发给除输入端口外的其他所有端口。

(2) 冲突机制：若同时有两个或多个端口输入数据，会发生冲突，导致数据无效。

(3) 共享式设备：信息传输方向固定，所有端口共享带宽，逻辑上属于同一个总线网络。

3. 核心特征与局限

(1) 共享带宽：

• 所有端口属于同一个冲突域。
• 只能在半双工状态下工作，吞吐率受限。
• 例：10Mb/s 集线器连接 8 台计算机，若同时工作，每台计算机实际带宽仅为 1.25Mb/s。

(2) 集中式管理：

• 组网灵活，以 Hub 为中心集中管理各结点。
• 故障隔离：可隔离出问题的工作站，防止其影响全网运行。

(3) 连接方式：

• 主要使用双绞线组建共享网络，是服务器连接桌面的经济方案。
• 交换式网络中，Hub 直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面。