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再回首：从应用到理论《计算机网络》系列（二）：物理层物理层

admin 12月 09, 2021 0

本系列文章部分参考《计算机网络》谢希仁编著第七版，PPT链接：
电子工业出版社悦学多媒体课程资源平台(yx.51zhy.cn/mtrcsRes/ph…)

本文正在参与 “网络协议必知必会”征文活动

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物理层

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。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

具体的物理层的协议种类较多。 这是因为物理层连接的方式有很多，例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接；而传输媒体的种类也非常之多，如架空明线，双绞线，对称电缆，同轴电缆，光缆，以及各种波段的无线信道等。

物理层的主要任务

可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：

  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电器特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  • 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：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：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）。

image.png

源系统一般包含以下两个部分：

  • 源点（source）：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC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。

目的系统一般也包含以下两个部分：

  • 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，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据比特流，然后把信息输出。

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

常用术语

  • 通信的目的是传送消息（message）
  • 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。
  • 信号（signal）则是数据的电气或电磁的表现。
    • 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。
    • 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。
      • 码元 (code)：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。
      • 一个码元所携带的信息量是不固定的，而是由调制方式和编码方式决定的。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。

有关信道的几个基本概念

  • 信道（channel）：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。信道和电路并不等同。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互的方式来看，可以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。

    单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

  • 基带信号：即基本频带信号，来自信源的信号。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。
    • 调制：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。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。分为两大类：
      • 基带调制：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。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)。
        • 常用编码方式 image.png
      • 带通调制：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）
        • 基本的带通调制方法 image.png
          • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
          • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
          • 调相(PM)：载波的初始相位随基帯数字信号而变化。
          • 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。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
image.png
从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个。

  • 信道能够通过的频率范围：

    • 码间串扰：像图所示的发送信号是一种典型的矩形脉冲信号，它包含很丰富的高频分量。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。

    • 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。

    • 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。

    • 奈氏准则

  • 信噪比

    • 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

    • 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。

    • 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较小。

    • 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位。即

                            信噪比(dB)=10Log10(S/N)(dB)
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      例如，当S/N=10时，信噪比为10dB,而当S/N=1000时，信噪比为30dB

    • 香农公式

                           信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
                         C = W log2(1+S/N)    (bit/s) 
                   其中：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。 
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      • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
      • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
      • 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
      • 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。

传输媒体（物理层下面）

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。
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导引型传输媒体：

  • 电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
    • 双绞线 image.png
    • 同轴电缆
    • 光缆：光纤是光纤通信的传输媒体。
      • 多模光纤
      • 单模光纤

非导引型传输媒体：

  • 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。
    • 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：①地面微波接力通信；②卫星通信

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几种常用的信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
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频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

  • 最基本的复用
  • 将整个带宽分为多份，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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

  • 最基本的复用
  • 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是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。
  • TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
  • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
  • 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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

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统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

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波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

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码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

CDMA的工作原理

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  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
  • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
    1. 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
    2. 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
  • 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
    1. 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
    2. 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
  • S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

CDMA的重要特点

  • 每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。

数字传输系统

几种常用的宽带接入技术

ADSL 技术

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光纤同轴混合网（HFC网）

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FTTx 技术

  • FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。
  • FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：
    1. 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
    2. 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
    3. 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
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