【计算机网络】第二章：物理层

本篇笔记课程来源：王道计算机考研 计算机网络

一、通信基础基本概念

1. 信源、信宿、信号、信道

• 信源： 信号的来源（即数据的发送方）
• 信宿： 信号的归宿（即数据的接收方）
• 数据： 即信息的实体（如：文字、声音、图像），在计算机内部数据通常是二进制。
• 信道： 信号的通道（一条物理线路通常包含两条信道，即发送信道、接收信道）
• 信号： 数据的载体（数字信号的信号值是离散的、模拟信号的值是连续的）

2. 码元

• 每一个信号就是一个 “码元”，信号周期称为码元宽度。
  • 4 进制码元：每个码元（信号）可能有 4 种状态。
  • 8 进制码元：每个码元（信号）可能有 8 种状态。
• 如果一个周期内可能出现 K 种信号，则 1 码元 = $lo{g}_{2}K$ bit。（3 bit 可携带 8 种信号）
• 优点：每个 “信号周期” 可以传输更多信息。
• 代价：需要加强信号功能，并且对信道的要求更高。

3. 速率

• 波特率：
  • 每秒传输几个码元
  • 单位：码元 / 秒，或波特（Baud）==> $M波特=M码元/秒$
• 比特率：
  • 每秒传输几个比特
  • 单位：bit/s，或 b/s、bps
• 若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率 M Band 对应的比特率为 $M\times n$ b/s

二、信道的极限容量

1. 带宽

• 带宽（bandwidth）：信道带宽越大，传输数据的能力越强。
• 在计算机网络中，带宽表示某信道所能通过的 ”最高数据率“。单位 bps。
• 在通信原理中，带宽表示某信道允许通过的信号频带范围。单位 Hz。

2. 噪声

• 信号：是数据的载体，在信道上传输。
• 噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率。
• 信噪比：
  • 采用无单位记法：$$信噪比=S/N=\frac{信号的功率}{噪声的功率}$$
  • 采用分贝（dB）记法：$$信噪比=10lo{g}_{10}\frac{S}{N}=10lg\frac{S}{N}（单位dB）$$
• 信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小。

3. 奈奎斯特定理

• 奈奎斯特定理（奈氏准则）：对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），信道的频率带宽为 $W$（单位 Hz），一个码元可能出现 $K$ 种信号，则 $$极限波特率=2WBand=2Wlo{g}_{2}Kb/s$$

  在一条带宽为 200 kHz 的无噪声信道上，若采用 4 个幅值的 ASK 调制，则该信道的最大数据传输速率是 $2\times 200kHz\times lo{g}_{2}4=800kbps$

• 如果波特率太高，会导致 “码间串扰”，即接收方无法识别码元
• 带宽越大，信道传输码元的能力越强
• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

4. 香农定理

• 对于一个 有噪声、带宽有限 的信道，信道的频率带宽为 $W$（单位 Hz），信噪比 $S/N$ 为无单位记法，则$$极限比特率=Wlo{g}_2(1+S/N)bps$$

  若链接 R2 和 R3 链路的频率带宽为 8kHz，信噪比为 30 dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的 50%，则该链路的实际数据传输速率约为__40kbps__。

  • $信噪比=10lo{g}_{2}S/N=30dB⟹S/N=10^3=1000$
  • $极限比特率=8k\times lo{g}_2(1+1000)\approx 80kbps$
  • $实际传输速率=80kpbs\times 50\%=40kbps$

• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率。
• 结合奈奎斯特定理，可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

三、编码与调制

1. 概念

• 编码： 二进制数据转为数字信号。
• 解码： 数字信号转为二进制数据
• 调制： 二进制数据转为模拟信号。
• 解调： 模拟信号转为二进制数据
• 变换器： 将二进制数据转换为信号。
• 反变换器： 将信号转换为二进制数据
• 网络适配器是编码解码器，光猫是调制解调器。

2. 常用的编码方式

• 不归零编码（NRZ）：低 0 高 1，中不变。
• 归零编码（RZ）：低 0 高 1，中归零。
• 反向非归零编码（NRZI，Non-Return-to-Zero Inverted）：跳 0 不跳 1 看起点，中不变。
• 曼彻斯特编码：跳 0 反跳 1 看中间，中必变。 可分为：
  • 上 0 下 1（常用 IEEE 802.3）
  • 上 1 下 0
  • 以太网默认使用曼彻斯特编码
  • 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都是中必变，如果中间跳变方向和二进制能够一一对应，就是曼彻斯特编码，否则是差分曼彻斯特编码。
• 差分曼彻斯特编码：跳 0 反跳 1 看起点，中必变。

• 编码特点

  编码	自同步能力	是否浪费带宽	抗干扰能力
  不归零编码	无	不浪费	弱👎
  归零编码	有	浪费	弱👎
  反向非归零编码	若增加冗余位，可支持自同步	浪费一点，但不多	弱👎
  曼彻斯特编码	有	浪费	强
  差分曼彻斯特编码	有	浪费	强

3. 常用的调制方式

• 基带信号：来自信源的数字信号，需调制后才能在某些信道上传输。
  
• 调幅（AM，Amplitude Modulation）
  • 又名：幅移键控（ASK，Amplitude-Shift Keying）

  假设：一个信号周期为 $4\pi$ 毫秒，记信号值为 $y$，记时间为 $x$，正弦波振幅为 0、1
  $$y=\{\begin{array}{ll}0\times sin2x& \text{表示二进制 0}\\ 1\times sin2x& \text{表示二进制 1}\end{array}$$

• 调频（FM，Frequency Modulation）
  • 又名：频移键控（FSK，Frequency-Shift Keying）

  假设：一个信号周期为 $4\pi$ 毫秒，记信号值为 $y$，记时间为 $x$，正弦波频率为 1、2
  $$y=\{\begin{array}{ll}sin1x& \text{表示二进制 0}\\ sin2x& \text{表示二进制 1}\end{array}$$

• 调相（PM，Phase Modulation）
  • 又名：相移键控（PSK，Phase-Shift Keying）

  假设：一个信号周期为 $4\pi$ 毫秒，记信号值为 $y$，记时间为 $x$，正弦波相位为 0、$\pi$
  $$y=\{\begin{array}{ll}sin(x+0)& \text{表示二进制 0}\\ sin(x+\pi )& \text{表示二进制 1}\end{array}$$

• 正交幅值调制（QAM）
  • 将 AM、PM 结合起来，形成叠加信号
  • 若设计 $m$ 种幅值、$n$ 种相位，则将 AM、PM 信号两两复合，可调制出 $mn$ 种信号，则 QAM 的 1 码元 = $lo{g}_{2}mn$ bit
  • 常用的 QAM 调制方案：QAM-16（16 种方案，1 码元 = $lo{g}_{2}16$ = 4 bit）、QAM-32、QAM-64、QAM-128

四、传输介质

1. 常用传输介质

• 导向型
  • 有线传输介质，信号朝固定方向传播
  • 双绞线、同轴电缆、光纤
• 非导向型
  • 无线传输截止，信号朝四面八方传播
• 以太网对有线传输介质的命名规则：速度 + Base（Baseband，基带传输，即【采用曼彻斯特编码】传输数字信号） + 介质信息

  10Base5：10 Mbps，同轴电缆，最远传输距离 500 m
  10Base2：10 Mbps，同轴电缆，最远传输距离 200 m
  10BaseF*：10 Mbps，光纤。* 可以是其他信息，如 10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP
  10BaseT*：10 Mbps，双绞线。* 可以是其他信息，如 10BaseT1S、10BaseT1L
  1000BaseT1：1000 Mbps，双绞线。
  2.5GBaseT：2.5 Gbps，双绞线。

• 无线传输：
  • 本质上都是电磁波。电磁波的公式：$C=\lambda \cdot F$，$C$ 为光速，$\lambda$ 为波长，$F$ 为频率。
  • 电磁波频率、波长呈反比关系
    • 频率越高，数据传输能力越强
    • 波长越短，“信号指向性” 越强，信号越趋于直线传播
    • 波长越长，“绕射性” 越好，也就是信号穿墙能力越强。
  • 长波更适合长距离、非直线通信。
  • 短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器对准信号源

---

1. 双绞线：
   

   • 主要构成：两根导线相互绞合而成，分为
     • 屏蔽双绞线（STP，Shielded），有屏蔽层
     • 非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded），没有屏蔽层
   • 抗干扰能力：较好。绞合、屏蔽层可以提高抗电磁干扰能力
   • 代表应用：局域网、早期电话线
   • 提高绞合度、增加屏蔽层的作用：
     1. 抗电磁干扰能力强
     2. 信道噪声功率低
     3. 信道极限速率高

2. 同轴电缆
   

   • 主要构成：内导体（用于传输信号）+ 外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）
   • 抗干扰能力：好。屏蔽层带来良好的抗干扰性
   • 代表应用：早期局域网、早期有线电视
   • 内导体越粗，电阻越低，传输过程中信号衰减减小，传输距离越长。

3. 光纤
   

   • 主要构成：纤芯（高折射率）+ 包层（低折射率）

   • 分类：

     • 单模光纤（SMF，Single-Mode Fiber）：纤芯更细，直径小于一个波长，只能传输一条光线，信号传输损耗低，适合长距离传输。
       

     • 多模光纤（MMF，Multi-Mode Fiber）：纤芯更粗，可同时传输多条光线，信号传输损耗更高，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真。
       

   • 抗干扰能力：非常好，光信号对电磁干扰不敏感

   • 其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少，很细很省布线空间

   • 利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号

4. 无线传输介质

   • 无线电波：
     • 波长较长
     • 特点：穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱
     • 如：手机信号、WiFi（频率为 2.4 GHz）
   • 微波通信
     • 也叫短波通信
     • 特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差（容易被窃听）
     • 如：卫星通信（卫星作为信号中继器，传播时延较大，高速卫星信号频率为 40 GHz）
   • 其他：红外线通信、激光通信等信号指向性强

2. 物理层接口的特性

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、传输速率、距离限制等；
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义；
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。

五、物理层设备

1. 中继器（Repeater）

• 中继器只有两个端口，通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口（信号再生会产生一些时延）
• 仅支持半双工通信（两端连接的节点不可同时发送数据，会导致冲突）
• 中继器两个端口对应两个 “网段”

2. 集线器（Hub）

• 本质上是多端口中继器。集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口
• 各端口连接的节点不可同时发送数据，会导致 “冲突”
• 集线器的 N 个端口对应 N 个 “网段”，各网段属于同一个 “冲突域”，因此 集线器不能隔离冲突域

3. 设备特性

• 冲突域：也叫碰撞域，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。处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行 “信道争用”。
• 集线器、中继器 不能无限串联，如：10Base5 的 5-4-3 原则（最多只能串联 5 个网段，使用 4 台集线器或中继器，共有 3 个网段可以连接计算机）
• 集线器连接的网络，物理上是星形拓扑；逻辑上是总线型拓扑，数据广播式传输，存在信道争用问题
• 集线器连接的各网段共享带宽。
• 集线器可以连接不同的传输介质，因此两个网段的物理层接口特性可以不同（这意味着集线器连接的网络，物理层协议可以不同）
• 集线器如果连接了速率不同的网段，会导致所有网段速率向下兼容