《深入浅出计算机网络》第 2 章笔记：物理层

2.1 物理层概述

2.1.1 物理层的功能

  • 核心功能：在各种传输媒体上传输比特 0 和 1，为数据链路层提供透明传输比特流的服务

  • 透明传输：数据链路层 “看不见” 物理层的传输方法，只管享受比特流传输服务

  • 屏蔽差异：物理层为数据链路层屏蔽掉各种传输媒体和通信手段的差异

2.1.2 物理层接口特性

1. 机械特性

  • 规定接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列

  • 例如：以太网 RJ45 接口插座的机械特性标准

2. 电气特性

  • 规定信号电压范围、阻抗匹配情况、传输速率和距离限制

  • 例如：100BASE-T 以太网规定采用 5 类 100Ω 阻抗的无屏蔽双绞线，最大传输速率 100Mb/s，单段最大长度 100m

3. 功能特性

  • 规定接口电缆各条信号线的作用

  • 信号线分类：数据线、控制线、时钟线、地线

  • 例如：100BASE-T 以太网 RJ45 插座的接口引脚定义

4. 过程特性

  • 规定信号线上比特流传输的操作过程

  • 包括各信号间的时序关系

2.2 物理层下面的传输媒体

2.2.1 传输媒体分类

  • 导向型传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播

  • 非导向型传输媒体：电磁波在自由空间中传输（无线传输）

2.2.2 导向型传输媒体

1. 同轴电缆

  • 结构：内导体、绝缘层、外屏蔽层、外部保护层

  • 类型：

    • 50Ω 阻抗的基带同轴电缆：用于数字传输，早期局域网

    • 75Ω 阻抗的宽带同轴电缆：用于模拟传输，有线电视入户线

  • 特点：抗干扰性好，适用于高速率数据传输

2. 双绞线

  • 结构：多对双绞线包在绝缘保护套内

  • 类型：

    • 屏蔽双绞线 (STP)：有金属丝编织屏蔽层，抗干扰能力强

    • 非屏蔽双绞线 (UTP)：无屏蔽层，成本较低

  • 类别：根据带宽和线缆特点分为不同类别（如 Cat5、Cat6 等）

3. 光纤

  • 发明：1966 年华裔科学家高锟提出光纤通信原理

  • 传输原理：利用光脉冲在光纤中传递进行通信

  • 组成：纤芯和包层构成的双层通信圆柱形传输媒体

  • 发送端：发光二极管或半导体激光器产生光脉冲

  • 接收端：光电二极管或激光检波器还原电脉冲

  • 规格：

    • 单模：8/125μm、9/125μm、10/125μm

    • 多模：50/125μm（欧洲标准）、62.5/125μm（美国标准）

2.3 数字传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

1. 串行传输

  • 特点：发送端和接收端之间只有一条数据传输线路

  • 传输方式：多个比特在这条线路上逐比特依次传输

  • 网卡功能：

    • 发送数据：并 / 串转换

    • 接收数据：串 / 并转换

2.3.2 同步传输和异步传输

1. 同步传输方式

  • 传输单位：比特

  • 特点：数据块以比特流形式传输，字节间无间隔，无起始位和终止位

  • 同步方式：

    • 外同步：增加时钟线，发送端同时发送时钟信号

    • 内同步：时钟信号编码到发送数据中一起发送

2. 异步传输方式

  • 传输单位：字节

  • 特点：字节间时间间隔不固定，每个字节添加起始位和结束位

  • 同步机制：字节间异步，但字节内每个比特仍需同步

2.3.3 通信方式分类

1. 单向通信（单工通信）

  • 特点：只能有一个方向的通信，无双向交互

  • 示例：广播、电视信号传输

2. 双向交替通信（半双工通信）

  • 特点：通信双方都可发送和接收信息，但不能同时进行

  • 工作方式：一方发送另一方接收，过一段时间再反过来

  • 示例：对讲机、总线型以太网

3. 双向同时通信（全双工通信）

  • 特点：通信双方可同时发送和接收信息

  • 示例：传统有线电话、交换式以太网

2.4 编码与调制

2.4.1 基本概念

1. 消息、数据和信号

  • 消息：计算机处理和传输的文字、图片、音频、视频等内容

  • 数据：消息输入计算机后成为有意义的符号序列

  • 信号：网卡将比特 0 和比特 1 变换成的传输信号

2. 基带信号

  • 定义：由信源发出的原始信号，基本频带信号

  • 调制分类：

    • 基带调制：对数字基带信号波形进行变换，仍是数字基带信号

    • 带通调制：将数字基带信号调制到载波上

2.4.2 常用编码方式

1. 不归零制

  • 特点：信号在整个码元期间保持恒定电平

2. 归零制

  • 特点：信号在每个码元期间会回归到零电平

  • 优势：将时钟信号编码在数据内，无需单独时钟信号线

3. 曼彻斯特编码

  • 特点：属于自同步信号

  • 应用：10Mb/s 传统以太网采用曼彻斯特编码

4. 差分曼彻斯特编码

  • 数据表示：码元开始处是否有电平跳变

    • 无跳变表示 1

    • 有跳变表示 0

2.4.3 调制方法

1. 基本带通调制方法

  • 调幅 (AM)：载波振幅随基带数字信号变化

  • 调频 (FM)：载波频率随基带数字信号变化

  • 调相 (PM)：载波相位随基带数字信号变化

2. 混合调制方

  • 结合调幅、调频、调相的复杂调制技术

2.5 信道极限容量

2.5.1 奈氏准则

  • 公式：理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W (Baud)

  • 说明：

    • W：理想低通信道的频率带宽（Hz）

    • Baud：波特，码元传输速率单位（码元 / 秒）

  • 注意：奈氏准则给出的是理想值，实际信道传输速率明显低于理论上限

2.5.2 香农公式

  • 提出者：Claude Shannon

  • 公式：信道极限信息传输速率 = W log₂(1+S/N) (b/s)

  • 说明：

    • W：信道频率带宽（Hz）

    • S/N：信噪比（无量纲）

  • 应用意义：

    • 提高信息传输速率的两种途径：

  1. 提高每个码元携带的比特数量（奈氏准则）

  2. 提高信道中的信噪比（香农公式）

2.6 信道复用技术

2.6.1 复用基本概念

  • 定义：在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号

  • 条件：传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量

  • 组成设备：

    • 复用器：发送端，多个用户共享大容量信道

    • 分用器：接收端，将共享信道信息分发给相应用户

2.6.2 频分复用 (FDM)

  • 原理：将传输媒体总频带划分成多个子频带

  • 特点：每个子频带作为独立通信子信道

  • 应用：调频广播、有线电视系统

2.6.3 时分复用 (TDM)

  • 原理：将时间划分为等长时隙

  • 特点：每个用户在相应时隙内独占传输媒体资源

  • TDM 帧：各用户对应的时隙构成时分复用帧

  • 改进技术：统计时分复用 (STDM)

    • 提高信道利用率

    • 使用智能复用器（集中器）

    • 支持存储转发和排队机制

    • 应用：交换机干道链路

2.6.4 波分复用 (WDM)

  • 本质：光的频分复用

  • 原理：在一根光纤上同时传输多个频率相近的光载波信号

  • 发展：

    • 早期：2 路光载波信号

    • 现在：80 路或更多路（密集波分复用 DWDM）

  • 实现原理：利用三棱镜的分光和合光原理

  • 设备：

    • 光复用器（合波器）：将多束光合成一道光

    • 光分用器（分波器）：将合成光分离成多束光

2.6.5 码分复用 (CDM)

  • 别称：码分多址 (CDMA)

  • 基础：扩频通信技术

  • 特点：每个用户可在相同时间使用相同频带通信

  • 历史：最初用于军事通信，抗干扰能力强

  • 应用：民用移动通信

  • 工作原理：

    • 将比特时间划分为 m 个更短时间片（码片，通常 64 或 128）

    • 每个站点指派唯一的 m 比特码片序列

    • 发送比特 1：发送指派码片序列

    • 发送比特 0：发送码片序列的反码

    • 接收：用自己的码片向量与收到的叠加码片向量做规格化内积运算

本章重点总结

  1. 物理层功能：实现比特流的透明传输，屏蔽传输媒体差异

  2. 接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

  3. 传输媒体：

  • 导向型：同轴电缆、双绞线、光纤

  • 非导向型：无线传输

  1. 传输方式：

  • 串行 / 并行传输

  • 同步 / 异步传输

  • 单工 / 半双工 / 全双工通信

  1. 编码调制：

  • 基带编码：不归零制、归零制、曼彻斯特编码等

  • 带通调制：调幅、调频、调相

  1. 信道容量：

  • 奈氏准则：理想低通信道码元传输速率上限

  • 香农公式：有噪声干扰信道的极限信息传输速率

  1. 复用技术：

  • 频分复用 (FDM)

  • 时分复用 (TDM)

  • 波分复用 (WDM)

  • 码分复用 (CDM/CDMA)