计算机网络-2.1物理层

通信的基础概念

信源、信宿、信号、信道

在通信系统中，这些概念定义了信息的传输过程：

• 信源：信源是通信系统中信息的起点或来源。它可以是人、计算机、传感器等。

• 信宿：信宿是信息传递的目的地，接收来自信源的信息。

• 信号：信号是指信息的物理表现形式，能够在信道中进行传输。它可以是模拟信号（如声音波形）或数字信号（如二进制数据）。

• 信道：信道是指信号在信源和信宿之间传输的媒介。它可以是有线媒介（如同轴电缆、光纤）或无线媒介（如无线电波、微波）。

码元、速率、波特

这些概念涉及信号的传输速率和表示：

• 码元：码元是信号传输的最小单元。每个码元可以代表一个或多个比特，具体取决于信号的调制方式。例如，在二进制系统中，一个码元通常表示一个比特，而在更复杂的调制方案中，一个码元可能表示多于一个比特。

• 速率：速率是指信息的传输速度，以比特率（bps, bits per second）为单位，表示每秒传输的比特数。

• 波特（Baud）：波特表示每秒传输的符号（或码元）数。符号速率和比特率之间的关系取决于每个符号能够携带的比特数。例如，如果每个符号携带2比特，那么1波特等于2 bps。

带宽（Hz）

• 带宽：带宽是指信道能够传输的频率范围，通常用赫兹（Hz）表示。它是信道容量的重要指标，决定了信号在信道中传输时能够承载的最高数据速率。带宽越大，信道的容量也就越大，能够传输更多的数据。例如，光纤具有很高的带宽，因此可以支持高速的数据传输。

奈奎斯特采样定律和香农采样定律

编码&解码，调制&解调

• 编码与解码：编码是将信息从一种形式转换为另一种形式，以便传输或存储。解码是编码的逆过程，将接收到的编码信号转换回原始信息。例如，在数字通信中，信号从二进制数据转换为电压信号是编码，而接收端将电压信号还原为数据是解码。例如ADC和DAC
• 调制与解调：调制是将信号嵌入到载波中以便通过信道传输，调节信号的一个或多个属性（如幅度、频率或相位）。解调则是接收端恢复出嵌入在载波中的信息。

常用的编码方法

1. 不可归零编码（NRZ）：

   • 这种编码方法中，信号在整个比特周期内保持恒定状态，不归零。1 和 0 分别用两个不同的电压电平表示。优点是实现简单，但长时间连续 1 或 0 时可能导致同步问题。需要添加时钟线

2. 归零编码（RZ）：

   • 在归零编码中，每个比特周期会中途归零，即每个比特信号在半个周期后回到零电平。虽然有助于同步，但信号频谱带宽增大。

3. 反向非归零编码（NRZI）：

   • 是一种改进的NRZ编码，通过改变电平来表示 1，而保持电平不变表示 0。这可以减轻同步问题，因为 1 的表示中总有电平跳变。

4. 曼彻斯特编码：

   • 每个比特周期都有一次电平转换，1 用高到低的转换表示，0 用低到高的转换表示。这种编码天然具有同步性，但需要的带宽较宽。

5. 差分曼彻斯特编码：

   • 是曼彻斯特编码的变种，通过电平转换来决定数据位。1 表示比特周期内无电平变化，0 表示有电平变化。提高了对噪声的抗干扰性。

常用的调制方法

1. 调幅（AM, Amplitude Modulation）：

   • 通过改变载波信号的幅度来传递信息。适合声音和视频信号传输，但易受噪声干扰。

2. 调频（FM, Frequency Modulation）：

   • 通过改变载波信号的频率来传递信息。对噪声有较好的抗干扰性，常用于广播通信。

3. 调相（PM, Phase Modulation）：

   • 通过改变载波信号的相位来传递信息。PM调制在数字通信中被广泛使用，能提供较高的数据传输速率。

4. 正交幅度调制（QAM, Quadrature Amplitude Modulation）：

   • 是调幅和调相的结合，通过同时改变信号的幅度和相位来传递信息。QAM在现代通信中很常见，能够支持更高的数据传输速率。
     

传输介质

1. 导向型传输介质

• 定义：指信号在物理介质中传输，信号有固定的传播路径。
• 特点：
  • 信号沿特定路径传输，受到外部环境干扰较少。
  • 适用于点到点的通信。
• 常见类型：
  1. 双绞线：由两根互相缠绕的绝缘铜线组成，用于减少电磁干扰。广泛应用于电话线和以太网电缆（如CAT 5e、CAT 6）。
  2. 同轴电缆：由铜芯、绝缘层、编织屏蔽层和外层组成，能更好地屏蔽电磁干扰。常用于有线电视和数据传输。
  3. 光纤：通过光信号传输数据，具有极高的带宽和极低的损耗。适用于高速和长距离的数据通信。
     
     以太网对有线传输介质的命名规则,曼彻斯特编码
     速度+Base+介质信息
     10Base5，10Mbps，同轴电缆，500m
     1000BaseT1,1000Mbps，双绞线，500m

2. 非导向型传输介质

• 定义：信号通过自由空间或空气传播，没有固定的物理传输路径。
• 特点：
  • 信号朝四面八方传播，容易受到外界干扰，如天气、障碍物。
  • 适用于广域的广播通信和移动通信。
• 常见类型：
  • 无线传输介质：利用无线电波、微波、红外线等形式进行数据传输。例如，Wi-Fi、卫星通信和移动网络。
  • 波长越短，越适合指向性

物理层接口的特性

• 物理层接口指的是在网络通信模型（如OSI模型）中的最底层，负责传输比特流的介质和设备的物理连接。
• 特性：
  • 传输速率：衡量数据传输速度的速率，如每秒传输的比特数（bps）。
  • 带宽：表示通信介质能够支持的频率范围，决定了信号的最大传输速率。
  • 衰减：随着距离增加，信号强度会降低，传输介质的衰减特性影响通信质量。
  • 干扰：外界电磁波或其他信号可能会对传输信号造成干扰，影响数据传输的可靠性。

物理层设备

继电器（Repeater）：

• 基本功能：继电器通常具有两个端口，通过接收信号、整形、再生和放大等处理，将信号从一个端口转发至另一个端口。继电器的作用是弥补信号传输过程中的衰减和失真，确保信号能够正确地到达远端设备。由于继电器只是简单的信号传递，它会产生一些时延，这是因为信号需要经过处理和再生的过程。

• 半双工通信：继电器工作时采用半双工通信模式，即同一时间只能有一方设备发送信号。

• 网段划分：这也意味着继电器的作用是将两个不同网段的通信连接起来，促进数据在它们之间的传输。继电器本身并不改变数据内容，而是简单地放大和传递信号。

集线器（Hub）：

• 工作原理：集线器是一种多端口的继电器，它的工作原理与继电器类似，但在一个集线器中，有多个端口可供设备连接。当集线器的某个端口接收到信号时，它会将该信号整形再生后转发到所有其他端口，而不仅仅是一个目标端口。这使得集线器成为连接多个网络设备的常见设备。

• 冲突问题：集线器的各个端口无法同时发送数据。当多个设备试图在同一时间发送数据时，容易发生数据冲突（Collision），即信号互相干扰，导致通信失败。这个问题在集线器连接的网络中尤为突出，需要通过“信道争用”（如CSMA/CD协议）来解决。

• 冲突域与网段：集线器连接的每个端口通常对应一个独立的“冲突域”。冲突域是指在该域内，如果两个设备同时发送信号，就会发生冲突。集线器内的所有设备共享带宽，因此当多个设备同时传输数据时，会导致带宽的竞争，并且通信性能可能大幅下降。

一些特性：

• 共享带宽：集线器连接的所有设备共享带宽，这意味着所有设备的通信速率受到带宽的限制。即使某个设备不在使用带宽，其他设备也会受到影响，导致网络整体性能下降。

• 连接不同传输介质：集线器具有一定的灵活性，它可以连接不同传输介质的设备，允许不同的物理层协议进行连接。例如，一个端口可以连接同轴电缆，另一个端口连接光纤，集线器都可以进行适配。

• 速率兼容性：当集线器连接的设备速率不同，它会采取“速率向下兼容”的方式。也就是说，集线器会将速率较高的网段的速率降到较低速率的网段速率，以确保通信的兼容性和稳定性。

• 无法无限串联：集线器和继电器都存在一定的限制，尤其是在连接多个设备时。它们无法像交换机那样进行智能路由和隔离网络流量。随着网络规模的增大，集线器和继电器可能会导致网络性能显著下降，尤其是碰撞和带宽争用会越来越严重。

• 物理层拓扑的限制：集线器和继电器通常只能支持简单的网络拓扑，例如星形拓扑（集线器）和点对点拓扑（继电器）。这使得它们不适合大型复杂网络的部署。

• 集线器和继电器不能连接物理层协议不同的网段，也不能连接速率不同的网段。教科书上的和网上的有点不一样。

• 物理层协议：集线器和继电器只能在物理层协议相同的网段之间进行工作。即，如果两个网段使用不同的传输介质（如光纤与铜缆）或不同的协议（如以太网与Wi-Fi），它们不能直接通过集线器或继电器连接，必须通过网关或其他设备进行协议转换。