计算机网络-物理层

物理层任务：实现相邻节点之间比特的传输。

2.1 通信基础

基本概念

信源：信号的来源（数据的发送方）

信宿：信号的”归宿“（数据的接收方）

信号： 信号的通道

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

每一个信号就是一个码元

​ 如果一个码元（一个信号），可能有4种状态，那么可以称其为4进制码元。如果有K种，则一个码元可携带 \(\log_{2}{K}\ bit\) 的数据 。波特率也是速率的一种表现方式，其单位为 \(码元/s\) 或 \(波特\) 。

信道的极限容量

带宽：信道允许通过的信号频带范围，单位：Hz

噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率。

奈奎斯特定理：对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道），极限波特率 = \(2W\) (单位：波特)

香农定理：对于一个有噪声、带宽有限的信道，极限比特率 = \(W \log_2{(1+\frac{S}{N})}\) ，其中 \(\frac{S}{N}\) 为信噪比。

​ 信噪比作为数值往往很大，可以用 db（分贝）为单位，此时信噪比为 \(10\log_{10}{\frac{S}{N}}\)

编码和调制

调制：将数据转化为模拟信号

编码：将数据转化成数字信号

数字数据编码为数字信号

常用的编码方法

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  • 不归零编码(NRZ)：低0高1，中间不变，一个时钟全部用来传输数据，存在同步问题，为此双方都需要带有时钟线。

  • 归零编码（RZ）：低0高1，中间归零（接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，为收发双方提供了同步机制）

  • 反向非归零编码(NRZI)：跳0不跳1看起点，中间不变。

  • 曼彻斯特编码：下跳1上跳0，中间必变，或者采用相反的规定。以太网默认采用该编码。

  • 差分曼彻斯特编码：跳0不跳1，中间必变

模拟数据编码为数字信号

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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。

以下式子基于这样的假设：一个信号周期为 \(4\Pi\) 毫秒，信号值为y,时间为x

  • 调幅（AM）：改变载波的振幅，又名幅移键控（ASK）

    • \(y = \begin{cases} 0 \cdot \sin 2x & \text{，表示二进制0} \\ 1 \cdot \sin 2x & \text{，表示二进制1} \end{cases}\)

  • 调频（FM）：改变载波的频率，又名频移键控（FSK）

    • \(y = \begin{cases} \sin x & \text{，表示二进制0} \\ \sin 2x & \text{，表示二进制1} \end{cases}\)

  • 调相（PM）：改变载波的相位，又名相移键控（PSK）

    • \(y = \begin{cases} \sin{(x+0)} & ，表示二进制0 \\ \sin(x+\Pi) &，表示二进制1 \end{cases}\)

通过设计 \(K\) 个赋值、频率或相位，可以让一个码元携带更多比特

  • 正交幅度调制（QAM）：将AM、PM结合起来形成叠加信号。若设计 \(m\) 种幅值、\(n\) 种相位，则可调制出 \(mn\) 种信号。

2.2 传输介质

双绞线

两条导线绞合而成

提高绞合度、增加屏蔽层

  • 屏蔽双绞线
  • 非屏蔽双绞线

抗干扰能力：较好

代表应用：近些年的局域网、早期电话线

同轴电缆

主要构成：内导体（用于传输信号）+ 外导体屏蔽层（）

抗干扰能力：好

代表应用：早期局域网、早期有线电视

光纤

主要构成：纤芯（高折射率）+包层（低折射率）

  • 单模光纤：一条光线，适合长距离
  • 多模光纤：纤芯更粗，多条光线，适合近距离

抗干扰能力：非常好

其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少;很细节省布线空间

以太网对有线传输介质的命名规则

速度+Base+介质信息

  • 10Base5 —— 10Mbps，同轴电缆，最远传输500m
  • 10Base2 —— 10Mbps，同轴电缆，最远传输200m（实际是185）
  • 10BaseF* —— 10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP
  • 10BaseT* —— 10Mbps，双绞线。*可以是其他信息

其他示例：

  • 1000BaseT1 —— 1000Mbps，双绞线
  • 2.5GBaseT —— 2.5Gbps，双绞线

无限传输介质

无限电波：穿透能力强、传输距离畅、信号指向性弱，如手机信号、WiFi

微波通信：频率带宽高、信号指向性强、保密性差，如卫星通信

其他：红外线通信、激光通信 —— 信号指向性强

长波适合长距离，短波适合短距离。

物理层接口的特性

  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 过程特性

2.3 物理层设备

中继器（Repeater）

​ 若传输距离太长，数字信号会失真。

​ 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。仅支持半双工通信（两端连接的节点不可同时发送数据）。中继器两个端口对应两个“网段”。

集线器（Hub）

​ 本质上是多端口中继器。各端口连接的节点不可同时发送数据。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”。

冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致冲突，则这两台主机处于同一个冲突域。处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行 “信道争用” 。

集线器、中继器的一些特性

​ 集线器和中继器不能 “无限串联”，如10Base5的5-4-3原则：使用集线器（或中继器），最多只能串联5个网段，使用4台集线器（或中继器），只有3个网段可以挂接计算机。

​ 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。

与国内教材有冲突的部分

集线器是可以连接不同的传输介质的，因此两个网段的物理层接口特性可以不同（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”