计算机网络 第2章 物理层

物理层任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输。

通信基础基本概念

• 信源：信号的来源（即数据的发送方）

• 信宿：信号的“归宿”（即数据的接收方）

• 数据：即信息的实体（如：文字、声音、图像），在计算机内部数据通常是二进制

• 信号：数据的载体

  • 数字信号：信号值是离散的
  • 模拟信号：信号值是连续的

• 信道：信号的通道

  注：一条物理线路通常包含两条通道，即发送通道、接收通道

• 码元：每个信号就是一个码元

  注：在一个信号周期内，可能出现4种信号，每种信号对应一个4进制数（2bit）。

  • 如果一个码元（即一个信号）可能有4种状态，那么可以称其为4进制码元（一个码元携带2bit数据）
  • 如果一个码元（即一个信号）可能有8种状态，那么可以称其为8进制码元（一个码元携带3bit数据）

  一个码元可以携带多少比特数据？

  如果一个周期内可能出现K种信号，则 1码元 = log₂K bit

• 码元宽度：信号周期

  1个信号周期内有更多的信号优缺点

  优点：每个信号周期可以传输更多的信息。换句话说，每个码元可以携带更多信息。

  缺点：需要加强信号功率，并且对信道的要求更高。

• 速率

  • 波特率：每秒传输几个码元。

    单位：码元/秒，或波特（Baud）

  • 比特率：每秒传输几个比特

    单位：bit/s，或b/s,bps

信道的极限容量

编码与调制

常用的编码方法

如何判断是曼彻斯特or差分曼彻斯特？

两种编码都是“中必变”，如果中间跳变方向和二进制能够一一对应，就是曼彻斯特。

常用的调制方法

以太网默认使用曼彻斯特编码

传输介质

transmission medium 也可译为“传输媒体”

常用的传输介质

• 导向型：信号朝固定方向传播。如双绞线、同轴电缆、光纤
• 非导向型：信号朝四面八方传播。如无线传输介质

双绞线

1. 主要构成：两根导线相互绞合而成
   • 有屏蔽层 = 屏蔽双绞线（STP）
   • 没有屏蔽层 = 非屏蔽双绞线（UTP）
2. 抗干扰能力：较好。绞合、屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力。抗噪声
3. 代表应用：近些年的局域网、早期电话线

提高绞合度、增加屏蔽层的意义

1. 抗电磁干扰能力强
2. 信道噪声功率低
3. 信道极限速率高

同轴电缆

1. 主要构成：内导体（用于传输信号）+外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）
2. 抗干扰能力：好。屏蔽层带来良好的抗干扰性
3. 代表应用：早期局域网、早期有线电视

内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减减少，传输距离越长

光纤

1. 主要构成
   • 纤芯（高折射率）+包层（低折射率）
   • 利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号
2. 分类
   • 单模光纤：只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
   • 多模光纤：多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真
3. 抗干扰能力：非常好。光信号对电磁干扰不敏感
4. 其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少；很细很省布线空间

以太网对有限传输介质的命名规则

无线传输介质

1. 无线电波
   • 特点：穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱
   • 如：手机信号、WiFi
2. 微波通信
   • 特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差（容易被窃听）
   • 如：卫星通信（卫星作为信号中继器，传播时延较大）
3. 其他：红外线通信、激光通信等：信号指向性强

本质上都是用电磁波。电磁波的公式：C=λF，C为光速，λ为波长，F为频率

• 电磁波频率、波长成反比关系
• 频率越高，数据传输能力越强
• 波长越短，信号指向性越强，信号越趋于直线传播
• 波长越长，绕射性越好，也就是信号穿墙能力越强

结论：长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、告诉通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器对准信号源

物理层接口的特性

• 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 等
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制 等
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
• 过程特性（规程特性）：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层设备

中继器

• 中继器只有两个端口。通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口(会产生一些时延)
• 仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突")
• 中继器两个端口对应两个“网段”

集线器

• 本质上是多端口中继器。集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口
• 各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”
• 集线器的N个端口对应N个“网段”，各网段属于同一个“冲突域”

同一冲突域的主机同时发送信号会导致“冲突“因此需要“信道争用”

一些特性

• 集线器、中继器不能“无限串联”
• 集线器连接的网络，物理上是星形拓扑，逻辑上是总线型拓扑
• 集线器连接的各网段“共享带宽”
• 集线器可以连接不同的传输介质，因此两个网段的物理层接口特性可以不同 (这就意味着集线器连接的网段，“物理层协议"可以不同)
• 集线器如果连接了速率不同的网段，会导致所有网段“速率向下兼容”