计算机网络 -- 物理层

Joya
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第二章 物理层

激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

物理层记住两个重要的设备名称，中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。

物理层主要是由双绞线、光缆、电缆、无线电波组成

其作用很简单，就是连接不同的计算机，并传递底层电信号

高电压：1，低电压：0。

功能：在相邻节点的接口传输比特流

主要任务：

物理层解决如何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。

该层次的主要任务是：确定传输媒体的接口的一些特性，包括：

  • 机械特性：接口的形状，大小，引线的数目

  • 电气特性：规定电压范围（-5V到+5V）

  • 功能特性：规定-5V代表0，+5V代表1

  • 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.1 数据通信系统模型

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)

数据通信系统模型

通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息

**数据(data)**是运送消息的实体。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。

    （正弦波、余弦波）

  • 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。

    （0、1）

    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就称为码元。

    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。

信道 信道一般指的就是发送消息的传输媒体。

  • 单工通信：只能一方发送数据，一方接受数据（广播）。
  • 半双工通信：双方都可以接受数据，发送数据，但是不能同时进行（对讲机）。
  • 双工通信：双方可以同时接受数据和发送数据（打电话）。

基带信号，带通信号

  • 基带信号：基本频带信号，指来自信源的信号，直接表达了要传输的信息。

    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

  • 带通信号：将基带信号通过调制后的信号，方便在信道中传输。

许多信道并不能传输基带信号中的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)

调制方法两种：

  • 基带调制（编码）

    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。

  • 带通调制

    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

带通调制的几种方法：（针对于远程传输模拟信号来说）

  • 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。
  • 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。
  • 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
带通调制

基带调制的几种方法：

  • 不归零制：高电平表示‘1’，低电平表示‘0’
  • 归零制：正脉冲代表‘1’，负脉冲代表‘0’
  • 曼彻斯特编码：低到高跳变 为‘0’，高到低跳变 为‘1’
  • 查分曼彻斯特编码：bit之间有信号跳变，表示下一个bit为‘0’，bit之间无信号跳变，表示下一个bit为‘1’
数字信号编码方式

信道的极限容量

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。

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没有影响。

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

    奈奎斯特(Nyquist)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：理想状态下（即忽略噪声），在任何信道中，码元的传输速率是有一定的上限值，否则就会出现码间串扰。

    最高码元传输速率的公式: 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

    • W是理想低通信道①的带宽,单位为赫(Hz)

    • M是指离散电平数目，即共有几种码元

    • Baud是波特,是码元传输速率的单位,1波特为每秒传送1个码元

    理想低通信道下的极限数据传输率=2*W*log2 (V) （b/s）

    • w是带宽
    • v是几种码元，即码元的离散电平数目

  2. 信噪比

    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，并用分贝(dB)作为度量单位

    香农((Shannon)推导出了香农公式。

    信道的极限信息传输速率C是 C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)

    • 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为信道达部的高斯噪声功率

    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。

公式应用范围

2.2 传输媒体

导向传输媒体

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。

  • 双绞线：屏蔽双绞线（长距离），无屏蔽双绞线（短距离）
  • 同轴电缆：50Ω用于数字传输，多用于基带传输，也叫基带同轴电缆，70Ω用于模拟传输，即宽带同轴电缆
  • 光缆：单模光纤只能传输一种电磁波，多模光纤能传输多种电磁波（光纤传输距离长，衰减小，窃听信号难）

非导向传输媒体

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

  • 短波通信：靠电离层反射，通信质量一般比较差（收音机）
  • 微波通信：主要是直线传播（地面微波接力通信、卫星通信）

物理层设备——集线器

工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，（现在已很少见都被交换机替代了）。

  • 最大传输距离：100m；

    即计算机A到集线器的网线距离最大为100m，计算机B也是100m，则计算机A与B之间距离可以为200m。

  • 集线器是一个大的冲突域；

    多台计算机A、B、C、D通过连接同一台集线器上网；它们都有各自的网卡地址，若A与B通信，集线器并不会判断通信对象，而会把A的通信分别转发给B、C、D，造成C、D间被占线而无法通信，即半双工通信；同时也存在窃听的安全漏洞；并且会造成带宽平分。10台机器连10M的集线器，每台机器只有1M带宽。

2.3 信道复用

信道复用指的是在通信过程中可以共享信道的技术。

频分复用（FDM） 指的是用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终占用这个频带。即所有用户在同一时间占用不同的带宽资源。

  • 三种输入波形分别使用不同频率的波进行调制，调制之后的波再叠加得到总的波形。
  • 总的波形经过分离器（Filter）分离，再经过相应的波形解调得到原来需要传输的波形。这就叫做频分复用技术。

例子：打电话

频分复用例子

三台电话的三种波形在合并之前没有采取信道复用，那么一端的两台电话同时打给另一端的同一台电话就会出现占线；传输过程中三种波形通过合并为一个波实现了信道复用。

电话公司经常通过频分复用技术，用一根电话线（干道电路）就可以为整个公司提供通信服务。

时分复用（TDM）

  • 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
  • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
  • TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
  • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

缺点：时分复用可能会造成线路资源的浪费。

使用时分复用系统传送计算机数据时，会给每部分数据分配固定的资源（比如A1~A3），由于计算机数据的突发性质，可能会造成有的部分比如A2、A3、B2等部分没有数据，但是C却不能使用A与B所占的资源，所以用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

时分复用

统计时分复用（STDM）

-- 时分复用的改良版（资源利用率更高）

这种方式为传输的每一种数据都贴上标签，接收时按照标签来辨别各自属于那一部分数据。

  • 原来的时分复用，固定顺序，分配固定空间，不管各个空间内是否存有数据；
  • 统计时分复用，随意顺序，有需求才分配空间并贴上固定的标签，以便接收后分类。

举个例子

时分复用：把容量为100人的三个宿舍1,2,3分别分配给A、B、C三个班，而不管宿舍有没有住满；

统计时分复用：先把ABC三个班的人放在一起，先塞满了1号宿舍，再分配2号宿舍，每个班的人凭借各班的标签区分是哪班的学生。

波分复用 WDM

-- 就是光的频分复用

码分复用 CDM

码分多址CDMA (Code Division Multiple Access): 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信

由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰

码分复用最初用于军事通信，因为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

工作原理：

例子：手机打电话

联通公司发送总的信号是一样的，那么当多人同时打电话时如何判断打的是A手机而不是B手机呢？

码分复用工作原理

发送端

  • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列；
    • 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；
  • 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011；
    • 发送比特 1 时，就发送序列 00011011；
    • 发送比特 0 时，就发送序列 11100100；

接收端

CDMA 的重要特点

  • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。

码片序列的正交关系

  • 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
  • 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：

正交公式

使用自己电话的码片序列与R进行规格化内积，得到的结果是+1和-1表示该手机能接收到该信号，结果是0表示该手机不能接收到该信号。

例题：

共有四个站进行码分多址CDMA通信。四个站的码片分别为 A:（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1） B:（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1） C:（-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1） D:（-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 ） 现收到这样的码片序列：（-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1）问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？

解：用结果的各位与各站点的各位相乘后相加，结果如下 A:1-1+3+1-1+3+1+1=8

B:1-1-3-1-1-3+1-1=-8

C:1+1+3+1-1-3-1-1=0

D:1+1+3-1+1+3+1-1=8

故A点发送的是1，B点发送的是0，C点没有发送，D点发送的是1。

所以想要在别人通信的时候自己也能听到，只需要造一个与监听对象手机相同的码片序列的电话卡，即可对通话信息进行解码，获取相同的通话信息。

2.4 宽带接入技术

xDSL技术

  • xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
  • xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

光纤接入技术

光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

  • HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
  • HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

主要特点

  • HFC网的主干线路采用光纤

  • HFC 网采用结点体系结构

  • HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能

FTTx 技术

FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。

这里字母 x 可代表不同含义

  • 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法
  • 光纤到大楼 FTTB (Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户
  • 光纤到路边 FTTC (Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体
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