【计算机网络系列】物理层①：物理层的基本概念以及数据通信的基础知识

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我是靠谱客的博主矮小帆布鞋，最近开发中收集的这篇文章主要介绍【计算机网络系列】物理层①：物理层的基本概念以及数据通信的基础知识，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

本文主要介绍物理层的基本概念以及数据通信的基础知识，同时简单谈谈物理层下面的传输媒体。

一、物理层基本概念

首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

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。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
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：也称规程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

大家应该知道，数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。具体的物理层协议种类较多。这是因为物理连接的方式很多（例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接），而传输媒体的种类也非常之多（如架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等）。因此在学习物理层时，应将重点放在掌握基本概念上。

二、数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

下面我们通过一个最简单的例子来说明数据通信系统的模型。这个例子就是两台计算机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

如下图所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方)、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方)。
在这里插入图片描述

下面我们先介绍一些常用术语。

通信的目的是传送消息(message)。话音、文字、图像、视频等都是消息。
数据(data)是运送消息的实体。根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。
信号(signal)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，信号可分为以下两大类：
- 模拟信号，或连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。例如在上图中，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
- 数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。例如在上图中，用户家中的计算机到调制解调器之间或在电话网中继线上传送的就是数字信号。
在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带 $n$ bit的信息量。也就是说，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，而另一种代表1状态。

2.2 有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向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，可以有以下三种基本方式：

单向通信（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广播以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通信（半双工通信）：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来，例如对讲机。
双向同时通信（全双工通信）：即通信的双方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都需要两条信道（每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。

基带信号（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。基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。调制可分为两大类。

一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。
另一类调制则需要使用载波(carrier)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，这样就能够更好地在模拟信道中传输。

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），而使用载波的调制称为带通调制。

由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

（1）常用编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit，但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

（2）几种基本的带通调制方法

调幅(AM)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率 $f_1$ 或 $f_2$ 。
调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

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2.3 信道的极限容量

几十年来，通信领域的学者一直在努力寻找提高数据传输速率的途径。这个问题很复杂，因为任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。我们知道，数字通信的优点就是：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就可视为无影响。
在这里插入图片描述

上图(a)表示信号通过实际的信道传输后虽然有失真，但在接收端还可识别并恢复出原来的码元。但上图(b)就不同了，这时信号的失真已很严重，在接收端无法识别码元是1还是0。事实上，码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个。

(1）信道能够通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。像上图所示的发送信号是一种典型的矩形脉冲信号，它包含很丰富的高频分量。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫作码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。
早在1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

奈氏准则的结论：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 $2 W$ (码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）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个码元。

（2）信噪比

实际的信道都是有噪声的，因此我们还必须知道信道的信噪比数值。噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。所谓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 $S / N$ 。但通常大家都是使用分贝(dB)作为度量单位。即：
$_{10}(S / N)$
例如，当 $S / N = 10$ 时，信噪比为10dB，而当 $S / N = 1000$ 时，信噪比为30dB。

在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率 $C$ 是
$_2(1+S / N) quad(mathrm{bit} / mathrm{s})$
式中，

$W$ 为信道的带宽（以Hz为单位)，
$S$ 为信道内所传信号的平均功率，
$N$ 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，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。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。

请注意，奈氏准则和香农公式的意义是不同的。

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。
香农公式则告诫工程人员，在有噪声的实际信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破香农公式给出的信息传输速率的绝对极限。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农公式中的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真等。这些因素在香农公式的推导过程中并未考虑。

三、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类：

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（铜线或光纤）传播；
非导引型传输媒体：非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

下图是电信领域使用的电磁波的频谱。
在这里插入图片描述

3.1 导引型传输媒体

（1）双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以减小衰减，但却增加了导线的重量和价格。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

（2）同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及绝缘保护套层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

50Ω同轴电缆用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆;
75Ω同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆。

（3）光缆

从20世纪70 年代到现在，通信和计算机都发展得非常快。据统计计算机的运行速度大约每10年提高10倍。在通信领域里，信息的传输速率则提高得更快，从20世纪70年代的56 kbit/s（使用铜线）提高到现在的数百Gbit/s（使用光纤)，并且这个速率还在继续提高。因此，光纤通信成为现代通信技术中的一个十分重要的领域。光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：

传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。

3.2 非导引型传输媒体

若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信。非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

两种通信方式：

地面微波接力通信：微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。但是微波接力通信与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差，同时对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
卫星通信：卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。

当利用无线信道传送数字信号时，必须使误码率（即比特错误率）不大于可容许的范围。三个有关的基本概念：