计算机网络之物理层

物理层的基本概念

在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多。

大致可以分为两类：一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。

导引型传输媒体中，常见的有：双绞线、同轴电缆、光纤。

非导引型传输媒体中，常见的是微波通信（2~40GHz）。

而物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特和1的问题。进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。

所谓"透明"是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用的什么方法来传输比特0和1的。它只管享受物理层提供的比特流服务即可。

物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有以下四个任务：

• 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。
• 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表示何种意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。

常见的导引型传输媒体有：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。

同轴电缆

双绞线

光纤

光纤的工作原理

电力线

非导引型传输媒体

非导引型传输媒体是指自由空间。

可使用的电磁波有：无线电波，微波，红外线，可见光。

无线电波

微波

红外线

串行传输和并行传输

串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端与接收端之间，只需要一条数据传输线路即可。

并行传输：一次发送n个比特，因此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路；并行传输的优点是比串行传输的速度n倍，但成本高。

数据在传输线路上的传输采用是串行传输，计算机内部的数据传输常用并行传输

同步传输和异步传输

同步传输：

• 数据块以稳定的比特流的形式传输。字节之间没有间隔
• 接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1
• 由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位

所以要使收发双发时钟保持同步。

收发双方时钟同步的方法有两种：

• 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线，接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
• 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼切斯特编码）

异步传输：

• 以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定
• 接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步
• 通常在每个字节前后分别加上起始位和结束位

单向通信、双向交替通信、双向同时通信

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。无线电广播或有线电以及电视广播就属于这种类型。

双向交替通信：

又称为半双工通信，即通信的双方可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式使一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。

双向同时通信：

又称为全双工通信，即通信的双发可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则需要两条信道（每个方向各一条）

双向同时通信的传输效率最高。

编码与调制

常用术语

• 数据 (data) —— 运送消息的实体。
• 信号(signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
• 模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
• 基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。

不归零编码

• 正电平表示比特1/0
• 负电平表示比特0/1

中间的虚线是零电平，所谓不归零编码，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。

这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步

• 需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元
• 但是对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号

由于不归零编码存在同步问题，因此计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

归零编码

每个码元传输结束后信号都要"归零"，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用"归零"方式编码在了数据之内，这称为"自同步"信号。

但是归零编码中大部分的数据带宽，都用于传输"归零"而浪费掉了。

归零编码虽然自同步，但编码效率低

曼切斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变

• 负跳变表示比特1/0
• 正跳变表示比特0/1
• 码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据

传统以太网使用的就是曼切斯特编码

差分曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发送跳变，但与曼彻斯特不同

• 跳变仅表示时钟

• 码元开始处电平是否变换表示数据

  • 变化表示比特1/0
  • 不变化表示比特0/1

比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

基本调制方法

• 调幅AM：所调制的信号由两种不同振幅的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量
• 调频FM：所调制的信号由两种不同频率的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量
• 调相PM：所调制的信号由两种不同初相位的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量

但是使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。

混合调制

那么如何能使1个码元包含更多的比特呢？

可以采用混合调制的方法，因为频率和相位是相关的，也就是说，频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。

通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

正交振幅调制QAM

QAM-16

• 12种相位
• 每种相位有1种或者2种振幅可选
• 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
• 码元与4个比特的对应关系采用格雷码
• 任意两个相邻码元只有一个比特不同

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

失真的原因：

• 码元传输的速率越高
• 信号传输的距离越远
• 噪声干扰越大
• 传输媒体质量越差

奈氏准则和香农公式对比：