物理层

1. 通信基础

1.1 基本概念

数据是指传送消息的实体，信号是指数据的电气或电磁表现。

数据传输方式可分为串行传输和并行传输。（串行传输是指一个一个的比特按照时间顺序传输。并行传输是指多个比特通过多条通信信道同时传输。）

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。

数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源（产生和发送数据的源头）、信道（信号的传输媒介）和信宿（接收数据的终点）等

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同 的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）；宽带信号将基带信号进行调制后形成 频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上去传输（称为宽带传输）。

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：

1） 单工通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如，无线电 广播、电视广播就属于这种类型。

2） 半双工通信。通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道。

3） 全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。 信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。

速率也称数据率，指的是数据的传输速率，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。

1） 码元传输速率。又称码元速率、波形速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的 码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数 字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码 元速率与进制数无关。

2） 信息传输速率。又称信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进 制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

带宽原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz）。在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传 输数据的能力。因此，带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率“。 显然，此时带宽的单位不再是Hz,而是b/s。

1.2 奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特定理（奈氏准则）

奈奎斯特（Nyquist）定理又称奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道 中，极限码元传输率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元， 则需要4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍），则极限数据率为理想低通信道下的极限数据传输率=2W1og2v （单位为b/s）

对于奈氏准则，可以得出以下结论：

1） 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题（指在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限），使得接收端不可能完全正确识别码元。

2） 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。

3） 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多个比特的信息量，此时就需要釆用多元制的调制方法。

  香农定理

香农（Shannon）定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为

                           信道的极限数据传输率=Wlog2（l +S/N） （单位为b/s）

式中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比， 信噪比=101og10（S/N） （单位为dB）,例如 如当S/N=10时，信噪比为10dB,而当S/N= 1000时，信噪比为30dB。

对于香农定理，可以得出以下结论：

1） 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

2） 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。

3） 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。

4） 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（实际信道当然不可能这样）， 则信道的极限信息传输速率也没有上限。

奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑 到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。

1.3 编码与调制

1. 常用编码方式

归零编码

在归零编码(RZ)中用高电平代表1、低电平代表0 (或者相反)，每个时钟周期的中间均跳 变到低电平(归零)，接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机 制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。

  非归零编码

非归零编码(NRZ)与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ 编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。

  反向非归零编码

反向非归零码(NRZD与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻 转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信 号，又能尽量不损失系统带宽。USB 2.0通信的编码方式就是NRZI编码。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码(Manchester Encoding)将一个码元分成两个相等的间隔，.前一个间隔为高电 平而后一个间隔为低电平表示码元1;码元。的表示方法则正好相反。当然，也可采用相反的规 定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号(可用于 同步)，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。

注意：以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是，若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若码元为0,则情形相反。该编码的特点是，在每个码元的中间 都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

4B/5B 编码

将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5 位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码(帧 的开始和结束、线路的状态信息等)或保留。

 

2.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f1或f2.

 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.

1.4电路交换、报文交换与分组交换

1.电路交换

在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个 数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。因此，电路交换技术分为三个阶段：连接 建立、数据传输和连接释放。

从通信资源的分配角度来看，"交换"就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的关键点是，在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽。

电路交换技术的优点如下：

1） 通信时延小。由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常 小。当传输的数据量较大时，这一优点非常明显。

2） 有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

3） 没有冲突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。

4） 适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。

5） 实时性强。通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信。

6） 控制简单。电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

电路交换技术的缺点如下：

1） 建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。

2） 线路独占，使用效率低。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线 路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。

3） 灵活性差。只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新 的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的。

4） 难以规格化。电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互 进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

注意，电路建立后，除源结点和目的结点外，电路上的任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间。

   2.报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的 是存储转发的传输方式。

报文交换技术的优点如下：

1） 无须建立连接。报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立 连接时延，用户可以随时发送报文。

2） 动态分配线路。当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择 一条合适的空闲线路，将报文发送出去。

3） 提高线路可靠性。如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据， 因此提高了传输的可靠性。

4） 提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地 部分占有这条物理通道，因而大大提高了通信线路的利用率。

5） 提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的。

报文交换技术的缺点如下：

1） 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）

2） 报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。

注意：报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

3.分组交换

同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。 分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一 些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。网络结点根据控 制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组 控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。

分组交换的优点如下：

1） 无建立时延。不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延， 用户可随时发送分组。

2） 线路利用率高。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部 分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。.

3） 简化了存储管理（相对于报文交换）。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定， 在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。

4） 加速传输。分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并 行，这种流水线方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一 次报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的概率及时间也必然少得多。

5） 减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错概率必然减小，所以每次重发的 数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。

分组交换的缺点如下：

1）存在传输时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但相对于电路交换仍存在存储 转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。

2）需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息E 从而构成分组，因此使得传送的信息量增大了5%〜10%, 一定程度上降低了通信效率， 增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。

3） 当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点 时，要对分组按编号进行排序等工作，因此很麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题, 但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

1.5 数据报与虚电路

数据报

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干 带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层PDU）。中 间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同 的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点。

假定主机A要向主机B发送分组。

1） 主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A,交换结点A缓存收到的分组。

2） 然后查找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，因此转发表的内容可能不完全 相同，所以有的分组转发给交换结点C,有的分组转发给交换结点D。

3） 网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机B。  

当分组正在某一链路上传送时;分组并不占用网络的其他部分资源，因为采用存储转发技术，资源是共享的。所以主机A在发送分组时，主机也可同时向其他主机发送分组。 

 

通过上面的例子，我们可以总结出数据报服务具有如下特点：

1） 发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。

2） 网络尽最大努力交付，传输不葆证砖矽亦舌渣为嚣个哗竺W选择路由, 转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的结点。

3） 发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。

4） 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。通过交换结点 的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部 分分组。

5） 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路岀现故障时，可相应地更新转发表，寻 找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强。

6） 存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量。

7） 收发双方不独占某一链路，资源利用率较高。

虚电路

虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果。在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路， 并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为三 个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。

在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路， 以区别于本系统中的其他虚电路。在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制 信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个结点 上都维持一张虚电路表,表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息,包括在接收链路和发送链 路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。

2.物理层下的传输媒体

传输介质也称传输媒体，它是发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质。在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒介(铜线或光纤)传播， 而非导向传输介质可以是空气、真空或海水等。

2.1导引型传输媒体

双绞线

双绞线是最常用的古老传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组 成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面 再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)。无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线(UTP)。

2.2非导引型传输媒体

自由空间称为“非导引型传输媒体 ”

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。

微波在空间主要是直线传播。

地面微波接力通信

卫星通信  

3. 物理层设备

3.1 中继器

又称转发器，原理是信号再生和还原，扩大网络传输距离。

仅作用于信号的电气部份，不管数据中是否有错误数据或不适合网段的数据。

中继器的两端既能连接相同的媒体又能连接不同的媒体，但不能连接两个具有不同速度的局域网。

中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。

中继器没有存储转发功能，两端的网段一定要是同一个协议。

3.2 集线器

实质上是一个多端口的中继器，在网络中只起到信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，不具备信号的定向传送能力，是个共享式设备。如果同时有两个或多个端口输入，则输出时会发生冲突，集线器不能分割冲突域。

4.信道复用技术

4.1频分复用(FDM)

是按频率分割多路信号的方法，即将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中的一个频段。

在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。

当采用频分复用技术时，所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

4.2时分复用（TDM）

TDM帧：将传输时间划分为多个等长的时间段（TDM帧）

时隙：每个TDM帧划分成更小的时间段（时隙），每个用户在每个TDM帧中占用固定的时隙进行通信。类似分时OS的时间片概念。

时分复用可能会造成线路资源的浪费

4.3统计时分复用 (Statistic TDM)

 

4.4波分复用

波分复用就是光的频分复用

4.5码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)  

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是各用户使用经过特殊挑选的不同码型，在同样的时间使用同样的频带进行通信，但彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

CDMA的原理
在CDMA中，每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或者128。

每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列(chip sequence) 。

如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交。

5.宽带接入技术

6.数字传输系统

 

最后

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