计算机网络（三）：物理层（通信基础、传输介质、物理层设备）

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通信基础

通信的目的是传输信息，如文字、图像和视频等。

数据 是指传送信息的实体。
信号 则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都有模拟或数字之分：

①模拟数据（或模拟信号）的取值是连续的；
②数字数据（或数字信号）的取值是离散的。

在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形表示一个k进制数，这个时长内的信号称为码元（可称k进制码元），而该时长称为码元宽度（也称信号周期）。1码元可携带若干比特的信息量。

例如，在一个信号周期内可能出现2个信号，每个信号对应一个二进制数（1bit）；若一个信号周期内可能出现4个信号，则每个信号就对应一个四进制数（2bit）。

上图所示为一个单向通信系统的模型，实际的通信系统大多数是双向的，可进行双向通信。
数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。
信道是信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号首先由反变换器转换成原始信息，然后发送给信宿。噪声源是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

信道按传输信号形式的不同，分为 传送模拟信号的模拟信道 和 传送数字信号的数字信道 两大类；信道按传输介质的不同分为无线信道和有线信道。

信道上传送的信号有 基带信号 和 宽带信号 之分。
基带信号是由信源发出的未经过调制的原始电信号，当在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输；
宽带信号首先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到信道上传输，称为宽带传输。

数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输是指逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行传输适用于长距离通信，如计算机网络。并行传输适用于近距离通信，常用于计算机内部，如CPU与主存之间。

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：
1）单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播等。
2）半双工通信。通信双方都可发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息。
3）全双工通信。通信双方可同时发送和接收信息。

单向通信只需一个信遣，而半双全通信或全双工通信都需要两个信道，每个方向一个信道。

速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述形式。

• 码元传输速率。又称波特率或调制速率，表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是波特（Baud）。码元既可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。
• 信息传输速率。又称比特率，表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位是比特/秒（b/s）。

波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带n比特的信息量，则波特率MBaud对应的比特率为Mn b/s。

在模拟信号系统中，带宽（又称频率带宽） 用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率，显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是b/s。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时会不可避免地产生失真。但是，只要接收端能够从失真的信号波形中识别出原来的信号，这种失真对通信质量就没有影响。但是，若信号失真很严重，接收端就无法识别出每个码元。码元的传输速率越高，或者信号的传输距离越远，或者噪声干扰越大，或者传输介质的质量越差，接收端波形的失真就越严重。

奈奎斯特定理（奈氏准则）

对于奈氏准则，有以下结论：
1）在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过上限，则会出现严重的码间串扰问题，使得接收端无法完全正确地识别码元。
2）信道的带宽越大，则传输码元的能力越强。
3）奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未限制信息传输速率，即未对一个码元最多可以携带多少比特给出限制。

因为码元传输速率受奈氏准则制约，所以要提高数据传输速率，就要设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时需要采用多元制的调制方法。

香农定理

信道数据传输速率的影响因素分析（2014）

对于香农定理，有以下结论：
1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
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是确定的。
3）只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错的传输。
4）香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

奈氏准则和香农定理的对比分析（2017）

奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率之间的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，还考虑了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元可以携带的比特数是有限的。

编码与调制

信号是数据的具体表示形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转换成信号。将数据转换为数字信号的过程称为编码，将数据转换为模拟信号的过程称为调制。

数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了如下4种编码与调制方式。

数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1，就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效区分0和1即可。常用的数字数据编码有以下几种，如图所示。

1）归零（RZ）编码。用高电平表示1、低电平表示0（或者相反），每个码元的中间均跳变到零电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽，所以传输效率受到了一定的影响。

2）非归零（NRZ）编码。与RZ编码的区别是不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但NRZ编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟线。

3）反向非归零（NRZI）编码。与NRZ编码的区别是用电平的跳变表示0、电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0的编码方式就是NRZI编码。

4）曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数据信号。可用向下跳变表示1、向上跳变表示0，或者采用相反的规定。

5）差分曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示1，有跳变表示0。差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力。

标准以太网使用的就是曼彻斯特编码，而差分曼彻斯特编码则被广泛用于宽带高速网中。

模拟数据编码为数字信号

主要包括三个步骤，即采样、量化和编码，常用于对音频信号进行编码的PCM编码。
1）采样是指对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据奈奎斯特定理，采样频率必须大于或等于模拟信号最大频率的两倍。
2）量化是指将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整，这样就将连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
3）编码是指将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。

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。图中显示了数字调制的三种方式。

基带信号：来自信源的数字信号，需调制后才能在某些信道上传输。

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。这种调制方式还可使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。

总结

物理层传输介质

传输介质也称传输媒体，是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为：

①导向传输介质，指铜线或光纤等，电磁波被导向为沿固体介质传播；②非导向传输介质，指自由空间（空气、真空或海水），电磁波在非导向传输介质中的传输称为无线传输。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，还具有如下特点：
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，在有大电流脉冲干扰的环境下这尤为重要。
③ 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
④ 体积小，重量轻，在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下这特别有利。

物理层接口的特性

物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输介质上传输比特流，而不指具体的传输介质。网络中的硬件设备和传输介质的种类繁多，通信方式也各不相同。物理层应尽可能屏蔽这些差异，让数据链路层感觉不到这些差异，使其只需考虑如何实现本层的协议和服务。

物理层的主要任务是确定与传输介质的接口有关的一些特性：
1）机械特性。指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数量和排列、固定和锁定装置等。
2）电气特性。指明在接口电缆的各条线上的电压范围、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的电压的意义，以及每条线的功能。
4）过程特性，也称规程特性。指明不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层设备

中继器 Repeater

中继器的主要功能是放大、整形并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离。其原理是信号再生（而非简单地放大衰减的信号）。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据。

中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网。中继器若出现故障，则对相邻两个网段的工作都产生影响。

若某个网络设备没有存储转发功能，则认为它不能连接两个不同的协议。中继器没有存储转发功能，因此它连接两个速率不同的网段可能会出现问题，若两个网段的速率分别为10Mb/s和10/100Mb/s，则用
中继器连接后，都只能工作在10Mb/s的速率。

从理论上讲，中继器的使用数量是无限的，网络因而也可无限延长。但事实上这是不可能的，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体规定，中继器只能在该范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中，只有3段可以挂接计算机，其余2段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。

放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，其原理是放大衰减的信号，而中继器放大的是数字信号，其原理是整形再生衰减的信号。

集线器 Hub

集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，因为信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便对该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。若同时有两个或多个端口输入，则输出时将发生冲突，致使这些数据都无效。

从Hub的工作方式可以看出，它在网络中只起信号放大和转发作用，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，即信息传输的方向是固定的，是标准的共享式设备。

使用Hub组网灵活，它将所有节点的通信集中在以其为中心的节点上，由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是总线网。Hub的每个端口连接的是同一网络的不同网段，同时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。