计算机网络 2 -物理层

物理层的基本概念

物理层所考虑的

• 怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流
• 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异, 是数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议, 而无需考虑网络具体的传输媒体是什么

传输媒体

• 导引型传输媒体
  • 双绞线 (Twisted Pair)
  • 同轴电缆(Coaxial Cable)
  • 光纤(Fiber-Optic)
• 非导引型传输媒体
  • 微波通信 (Microwave Communication)

物理层协议的主要任务

• 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
• 电气特性
  • 指明接口电缆上各条线的电压范围
• 功能特性
  • 指明某条线出现某一电平的电压表示何种意义
• 过程特性
  • 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

• 同轴电缆 (Coaxial Cable)

• 优点: 1.与 STP 和 UDP 相比,同轴电缆可以在几乎没有中继器推动的情况下,在距离较远的两个网络节点之间传输数据； 2.比光缆便宜（比 STP 和 UTP 贵）。
• 缺点: 同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便,随着集线器的出现, 在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

• 双绞线 (Twisted Pair)

• 类型
  • 屏蔽双绞线 (Shielded Twisted Pair, STP)
  • 非屏蔽双绞线( Unhielded Twisted Pair, UTP )
  • 网屏式双绞线(Screened Twisted Pair, ScTP)

• 绞合作用
  • 抵御部分来自外界的电磁波干扰
  • 减少相邻导线的电磁干扰
• 类别和典型应用 | 类别 | 带宽 | 线缆特点 | 应用 | | :————: | :——: | ——————— | ————————————————— | | 3 | 16MHz | 2对4芯双绞线 | 模拟电话;曾用于传统以太网 (10Mbps) | | 4 | 20MHz | 4对8芯双绞线 | 曾用于令牌局域网 | | 5 | 100MHz | 增加了绞合度 | 传输速率不超过 100Mbps 的应用 | | 5E(超五类) | 125MHz | 衰减更小 | 传输速率不超过 1Gbps 的应用 | | 6 | 250MHz | 改善串扰 | 传输速率高于 1Gbps 的应用 | | 7 | 600MHz | 使用屏蔽双绞线 | 传输速率高于 10Gbps 的应用 |
• 光纤 (Fiber-Optic)

• 纤芯直径
  • 多模光纤: 50 μm, 62.5 μm
  • 单模光纤: 9 μm
• 包层直径
  • 125 μm
• 工作波长
  • 0.85 μm (衰减较大)
  • 1.30 μm(衰减较小)
  • 1.55 μm (衰减较小)
• 优点
  • 通信容量大 (25000~ 30000GHz的带宽)
  • 传输损耗小,远距离传输时更加经济。
  • 抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲 干扰的环境下尤为重要。
  • 无串音干扰,保密性好,不易被窃听。
  • 体积小,重量轻。
• 缺点
  • 切割需要专用设备
  • 光电接口较贵
• 原理

• 多模光纤和单模光纤对比

• 电力线

导引型传输媒体

• 无线电波
• 微波
• 红外线
• 可见光

传输方式

串行传输和并行传输

串行传输

一个一个比特依次传输, 只需要一条传输线路

并行传输

n 条线路同时传输

• 优点
  • 速度是串行的 n 倍
  • 成本高

远距离传输( 如计算机网络 )常采用串行传输, 计算机内部传输常采用并行传输 ( 如总线 )

同步传输和异步传输

同步传输

数据块以稳定比特流传输, 字节之间没有间隔. 接收端在每个比特信号中间检测是0还是1.

由于不同设备时钟频率不同, 为避免时钟误差积累, 需要实现同步

• 外同步
  • 收发双方之间添加单独信号线
• 内同步
  • 发射端将时钟同步信号编码到数据中一起传输(如曼彻斯特编码)

异步传输

• 字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)
• 字节中的没个比特仍然要同步(各个比特持续时间相同)

单工通信和双工通信

• 单工通信: 单向通信 如: 广播
• 半双工通信: 双向交替通信 如: 对讲机
• 全双工通信: 双向同时通信 如: 电话

编码与调制

码元

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. 例:

信道和传输媒体

• 单工传输
  • 传输媒体中只包含一个信道: 发送信道或者接受信道
• 双工/半双工传输
  • 传输媒体中包含两个信道: 发送信道和接收信道
• 若使用信道复用技术, 一条传输媒体包含多个信号

常见编码

不归零编码

• 需要额外一根传输线传输时钟信号, 使发送方和接收方同步
• 宁愿用这根线传输数据信号而不是时钟信号
• 存在同步问题, 故计算机网络中的数据不采用这类编码

归零编码

• 每个码元传输结束后信号都要”归零”, 所以接收方只需要在信号归零后进行采样, 不需要单独的时钟信号
• 相当于把时钟信号用”归零”方式编在数据之内, 称为”自同步“信号
• 大部分带宽被用来传输”归零”而被浪费掉了, 编码效率低

曼彻斯特编码 (Manchester Encoding)

• 每个码元的中间时刻发生跳变, 既表示时钟, 又表示数据

差分曼切斯特编码 (Differential Manchester Encoding)

• 跳变仅表示时钟
• 每个码元开始时刻相对于上一个码元的结束电位是否发生变化表示数据

调制

基本调制方法

混合调制

• 基本调制方法一个码元只能表示一个比特
• 频率和相位相关, 所以通常情况下将相位和振幅和振幅合起来一起调制, 称为正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
• QAM-16
  • 12 种相位
  • 每种相位有1或者2种振幅可选

• 可以调制出16种码元, 可以表示 0b0000~0b1111的数据, 故每个码元对应4个比特
• 码元与4个比特的对应关系采用格雷码. 相邻码元只有一位不同

信道的极限容量

失真因素

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

失真的例子:

奈氏准则 (Nyquist’s Theorem)

在假定的理想条件下, 为了避免码间串扰, 码元的传输速率是有上限的.

内容

• 理想低通(频率低于某个上限值)信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒
• 理想带通(频率位于上下限之间)信道的最高码元传输速率 = 1W Baud = W 码元/秒 其中 W: 信道带宽(Hz) Baud: 波特, 即码元/秒
• 实际上信道所能传输的最高码元速率要明显低于奈氏准则的上限数值

码元传输速率(波特率, 调制速率, 波形速率,符号速率)与比特率的关系

• 1个码元携带1个比特的信息量, 波特率和比特率在数值上相等
• 1个码元携带n个比特的信息量, 比特率=波特率*n
• 提高信息传输速率(比特率),必须使每个码元携带更多比特的信息量, 这需要采用多元制

香农公式 (Shannon Theorem)

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率

c=W \times \log_2(1+\frac S N)

c: 信道极限信息传输速率 (bps)

W: 信道带宽 (Hz)

S: 信道内所传信号的平均功率

N: 信道内高斯白噪声的功率

S/N: 信号与噪声噪之比, 无量纲单位

SNR: 信噪比(dB)作为度量单位, 计算公式 \displaystyle \text {SNR} = 10 \times \log_{10}(\frac S N)

结论

• 信道带宽或者信道中信噪比越大, c 越高
• 实际能达到的传输速率要低上不少, 因为在实际信道中, 还存在各种脉冲干扰, 信号在传输中的衰减和失真, 香农公式并未考虑