计算机网络02——物理层

文章目录

一、物理层的基本概念

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统的模型

2、有关信道的几个基本概念

3、信道的极限容量
3.0、限制码元在信道上的传输速率的因素

三、物理层下面的传输媒体

1、导引型传输媒体

1.1、双绞线

1.2、同轴电缆

1.3、光缆

2、非导引型传输媒体

四、信道复用技术

1、频分复用、时分复用和统计时分复用

2、波分复用

3、码分复用

本章最重要的内容是：

（1）物理层的任务。
（2）几种常用的信道复用技术。
（3）几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx。

一、物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能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。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

（1）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；（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统的模型

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）。

源系统一般包括以下两个部分：

源点（source）：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。
发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分：

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

常用术语

通信的目的是传送消息（message）。如语音、文字、图像、视频等都是消息。数据（data）是运送消息的实体。根据 RFC 4949 给出的定义，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。
数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。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。

2、有关信道的几个基本概念

信道（channel）一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

有以下三种基本方式：

单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

为什么需要调制 ?

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种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）。

调制可分为两大类:

一类是仅仅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。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码（coding）。
另一类调制则需要使用载波（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（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特（Manchester）编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

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。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。

例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

3、信道的极限容量

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。

（a）表示信号通过实际的信道传输后虽然有失真，但在接收端还可识别并恢复出原来的码元。但（b）就不同了，这时信号的失真已很严重，在接收端无法识别码元是1还是0。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

3.0、限制码元在信道上的传输速率的因素

信道能够通过的频率范围：

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。
这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比： 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比:

记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。

例如，当 S/N＝10 时，信噪比为10dB ，而当 S/N＝1000 时，信噪比为 30dB 。

在1948年，信息论的创始人香农（Shannon）推导出了著名的香农公式。

香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是：

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为信道内部的高斯噪声功率。

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。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率呢？

这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真，等等。这些因素在香农公式的推导过程中并未考虑。

三、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。也称为第零层。

传输媒体可分为两大类：

导引型传输媒体
非导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而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。

1、导引型传输媒体

1.1、双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合（twist）起来就构成了双绞线。

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到十几公里。
距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。

导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛。

为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP（ Shielded Twisted Pair ）。

1991年，美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）和电信行业协会TIA（Telecommunications Industries Association）联合发布了标准EIA/TIA-568。

这个标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。

1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准（从1类线到5类线）。对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线（Category 5或CAT5）。5类线与3类线的最主要的区别就是大大增加了每单位长度的绞合次数。3类线的绞合长度是7.5至10cm，而5类线的绞合长度是0.6至0.85cm。

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减，但却增加了导线的重量和价格。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

1.2、同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。

在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。

1.3、光缆

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108 MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利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。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8～100µm（1µm＝10–6m）。光波正是通过纤芯进行传导的。

包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，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。

现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输数公里而基本上没有什么衰耗。

可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。

光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。

若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在100Gbit/s的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。

四芯光缆剖面的示意图：

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：

传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。

1km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。

2、非导引型传输媒体

当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信。

将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
无线传输所使用的频段很广。
短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
微波在空间主要是直线传播。
传统微波通信有两种方式：
- 地面微波接力通信
- 卫星通信

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准有可能略有差别。

红外通信、激光通信也使用非导引型媒体。可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。

四、信道复用技术

1、频分复用、时分复用和统计时分复用

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念。在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。

最基本的复用就是频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分复用TDM（Time Division Multiplexing）。

频分复用

频分复用最简单，其特点如图（a）所示。
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。

时分复用

而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周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。
因此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。

这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。时分复用则更有利于数字信号的传输。

频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。但在使用时分复用时，每一个时分复用帧的长度是不变的。

在进行通信时，复用器（multiplexer）总是和分用器（demultiplexer）成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时（例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息），那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

统计时分复用

统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。

STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。

各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存；
然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。
对没有数据的缓存就跳过去。
当一个帧的数据放满了，就发送出去。
因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。

集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销。

2、波分复用

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。

由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。

现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用 DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）这一名词。

但光信号传输了一段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器 EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）。

在地下铺设光缆是耗资很大的工程。因此人们总是在一根光缆中放入尽可能多的光纤（例如，放入100根以上的光纤），然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。

对于具有100根速率为2.5Gbit/s光纤的光缆，采用16倍的密集波分复用，得到一根光缆的总数据率为100×40Gbit/s，或 4Tbit/s 。（这里的T为1012，中文名词是“太”，即“兆兆”。）

3、码分复用

码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址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。

采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量。

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

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列（chip sequence）。

一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。
如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。

为了方便，我们按惯例将码片中的0写为–1，将1写为＋1。因此S站的码片序列是（–1–1–1＋1＋1–1＋1＋1）。

现假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。

扩频通信通常有两大类。

一种是直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），如上面讲的使用码片序列就是这一类。
另一种是跳频扩频 FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一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）。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

令向量 S 表示站 S 的码片向量，再令 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：

如上面的图片，计算结果求和为 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。

一个码片向量和另一个码片反码的向量的规格化内积是 0。（前提是正相交）一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

现假定有一个 X 站要接收 S 站发送的数据。X 站就必须知道 S 站所特有的码片序列。X 站使用它得到的码片向量 S 与接收到的未知信号进行求内积的运算。

X 站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。

求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0），而只剩下S站发送的信号。

当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是＋1，当S站发送比特0时，内积的结果是–1。

假设：

S站要发送的数据是1 1 0三个码元
设CDMA将每一个码元扩展为8个码片
S站选择的码片序列为（–1–1–1＋1＋1–1＋1＋1）
S站发送的扩频信号为Sx
S站发送的扩频信号Sx中，只包含互为反码的两种码片序列

T站也发送1 1 0三个码元，而T站的扩频信号为Tx。

因所有的站都使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。

当接收站打算接收 S 站发送的信号时，就用 S 站的码片序列与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算 S·Sx 和 S·Tx 。显然，S·Sx 就是S站发送的数据比特，因为在计算规格化内积时，或者都是＋1，或者都是−1；而S·Tx一定是零。