Computer Networks (chapter 2)

第二章 物理层

2.1.1 基本概念和任务

1).基本概念

物理层解决如何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。

2).主要任务

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特征。这些特征主要包括：

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况；
2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
4. 规程特性/过程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2.1.2 数据通信基础知识

1).典型的数据通信模型

2).数据通信相关术语

通信的目的是传送消息。

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式，分为数字信号和模拟信号。

数字信号：代表消息的参数取值是离散的。

模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一 条接收信道。

信道按传输的信号种类来分可以分为：模拟信道(传送模拟信号)和数字信道(传送数字信号)；
信道按传输介质的种类来分可以分为：无线信道和有线信道；

3).三种通信方式

通信方式	说明
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。
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，要两条信道。
全双工通信	通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

3).两种数据传输方式

传输方式	特点
串行传输	速度慢，费用低，适合远距离
并行传输	速度快，费用高，适合近距离

2.1.3 码元、波特、数据、带宽*

1).码元

码元是指用一个固定时长的信号波形( 数字脉冲)，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。

！！当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。

1 码元可以携带多个比特的信息量。例如，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，另一种代
表1状态。

2).波特

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，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：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，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。
   简单来说，码元传输速率就是 1s 传输多少个码元，码元传输速率单位的1 Baud = 1码元/秒。

2. 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，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) 。
   简单来说，信息传输速率就是1s传输多少个比特

   关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M * n bit/s。

3).练习题

某一数字通信系统传输的是四进制码元,4s传输了8000个码元,求系统的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?若另一通信系统传输的是十六进制码元,6s传输了7200个码元,求他的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?并指出哪个系统传输速率快?

答案： 2000Baud，4000b/s; 1200Baud， 4800b/s; 十六进制更快

解析： 四进制码元系统：码元传输速率就是8000/4=200Baud，信息传输速率就是2000*log₂4=4000b/s；
十六进制码元系统：码元传输速率就是7200/6=1200Baud，信息传输速率就是1200 log₂16=4800bit/s；
系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较
快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率。

2.1.4 奈氏准则、香农定理*

1).失真

影响失真程度的因素：1.码元传输速率；2.信号传输距离；3.噪声干扰；4.传输媒体质量。

​ （前三种因素与失真程度正相关，最后一种因素与失真程度是负相关，即质量越好，失真程度越低）

信道带宽：信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。

码间串扰是失真的一种现象，是指接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

一般指码元传输速率过快，导致失去了码元之间界限的现象。

2).奈氏准则 (奈奎斯特定理)

奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud, W是信道带宽，单位是Hz。

极限数据率：

理想低通信道下的极限数据传输率 = 2W * log₂V (b/s)
V 是指有几种码元/码元的离散电平数目
W 是指信道带宽(Hz)

通过奈氏准则的结论：

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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
2. 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以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，但并没有对信息传输速率给出限制。
4. 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能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

3).香农定理

信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB) 作为度量单位，即:

信噪比 (1 dB) =10 log₁₀[S/N]

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

信道的极限数据传输速率=W log₂[1+S/N] (b/s)

通过香农定理的结论：

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
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就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5. 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 （不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上
   限。

4).奈氏准则和香农定理比较

5).练习题

1.在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz ,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少?

答案：信号有4 x 4=16种变化；最大数据传输率=2 x 3k x4=24kb/s

2.电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz ,信噪比为30dB ,则该系统最大数据传输速率是多少?

答案：30dB=10 log₁₀(S/N) 则S/N=1000
所以信道的极限数据传输速率=W log₂(1+S/N)=3000 x log₂(1+1000)，约等于30 kb/s

3.二进制信号在信噪比为127 : 1的4kHz信道上传输,最大的数据速率可达到多少?

答案：奈氏准则： 2* 4000* log₂2=8000b/s

​ 香农定理：4000 X* log₂(1+127)=28000b/s，两者中取较小的一个。

2.1.5 编码与调制*

1).基带信号和宽带信号

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。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。基带信号就是发出的直接表 达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。

宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。把基带信 号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内 能够通过信道)。

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式 (近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式 (远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

2).编码与调制

数据→数字信号 编码

数据→模拟信号 调制

3).数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码[NRZ] *：高1低0；编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

2. 归零编码[RZ] ：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码的编码方式。

3. 曼彻斯特编码 *：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。

   • 该编码的特点是在每-一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)，又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

   • 每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。（二进制编码条件下两个码元但只有一个比特）

4. 反向不归零编码[NRZI]：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

5. 差分曼彻斯特编码 *：同1异0；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，若为0，则相反。

   • 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，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

6. 4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给 接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。

   • 五个比特对应32种状态，只采用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。

4).数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制，解调器的调制和解调过程。

调幅+调相 (QAM)

5).模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCN编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

   为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样: f采样频率≥2f信号最高频率

2. 量化：把抽样取得的 电平幅值按照-定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。

3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

6).模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式;模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

7).练习题

某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少?

答案：log₂(4*4) * 1200 = 4800 b/s

2.2物理层传输介质

1).传输介质和分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，恒传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

2).导向性传输介质

1. 导向性传输介质——双绞线

   • 双绞线是古老、又最常用的传输介质，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。两根线绞合可以减少对彼此的电磁干扰。（产生的电磁波大小相等相互抵消）
   • 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)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP)。
   • 特点：双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号;对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
   • 

2. 导向性传输介质——同轴电缆

   • 同轴电缆由 导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类: 509同轴 电缆和750同轴电缆。其中，509同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用; 75Q同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

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   同轴电缆 VS 双绞线

   ​ 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

3. 导向性传输介质——光纤

   • 光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

   • 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

   • 光纤主要由纤芯(实心的! )和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

   • 

   • 光纤的分类

     

   • 光纤的特点

     1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
     2. 抗雷电和电磁干扰性能好。
     3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
     4. 体积小，重量轻。

3).非导向性传输介质

类型	传播方向	特点及应用
无线电波	信号向所有方向传播	较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域(如手机通信)。
微波	信号向固定方向传播	微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。
红外线、激光	信号向固定方向传播	把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号,再在空间中传播。

2.3物理层设备

1).中继器

1. 诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一-定 程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
2. 中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
3. 中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同；两端可连相同媒体，也可连不同媒体；中继器两端的网段一定要是同一个协议。
4. 特点：中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是
   否有错误数据或不适于网段的数据。

5-4-3规则：

​ 网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

2).集线器

1. 集线器的功能：对信号进行再生放大和转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

集线器不能分割冲突域；连在集线器上的工作主机平分带宽。

2.4信道复用技术

1).频分复用（FDM）

• 频分复用就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输一路信号。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

• 

• 频分复用 FDM示意图

  

2).时分复用TDM

• 时分复用：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在不同的时间占用同样的频带宽度。

• 时分复用 TDM示意图

  

• 特点：

  1. 帧的位置不变

     

  2. 时分复用可能会造成线路资源的浪费

     

3).波分复用WDM

• 波分复用(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。
• 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。
• 

4).码分复用 CDM

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

• 特点：

  1. 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
  2. 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。

• 码分序列

  1. 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)， 每个码片分配一个“1”或“0”就构成了一个码片序列。

     例如，设m=8，某站S的码片序列如下所示：

     

  2. 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 应用中，码片序列中的“1”用“+1”表示，“0”用“-1” 表示。

  3. 每个站数据的发送：

     • 若发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 若发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

       例如，设S 站的码片序列(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

       ​ S站发送比特 1 时，就发送序列 ( –1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1 )

       ​ S站发送比特 0 时，就发送序列 ( +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 )

  4. 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；

     • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1；

     • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1 ；

       规格化内 积公式：S x T =${1\over m}\sum_1^nS_iT_i$

5).练习题

• 假定A、B和C站使用CDMA系统，它们的码片序列如下：

  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）

  问：（1）若A、B两站同时发送比特0，C站发送比特1，则各路信号合成的发送码片序列是什么？

  ​ （2）若接收站收到的码片序列为 T=（0 0 -2 +2 0 -2 0 2），则各站分别发送了什么数据？

  答：（1）根据题意，A、B两站分别发送其码片序列的反码， C站发送其码片序列的原码，即各站分别发送的码片序列为：

  ​ 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 ）

  ​ 所以，各路信号合成的发送码片序列是 T=A + B + C=（+1 +3 -1 +1 -1 +1 –3 –1 ）

  （2）接收站分别计算下列规格化内积：

  ​ A·T= (–1–1–1 +1 +1–1 +1 +1) x (0 0 -2 +2 0 -2 0 2) =${1\over 8}\sum_1^8A_iT_i$ = +1

  ​ B·T= (–1–1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) x (0 0 -2 +2 0 -2 0 2) =${1\over 8}\sum_1^8B_iT_i$ = -1

  ​ C·T= (–1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) x (0 0 -2 +2 0 -2 0 2) =${1\over 8}\sum_1^8C_iT_i$ =0

  ​ 所以，A发送的是1，B发送是0，C没有发送数据

第二章课后习题