二、物理层

1. 通信基础

1.1. 一些基本概念

• 信道：向某个方向传输信息的媒体；

• 信号：数据表现为电磁或电气的形式；

• 带宽：信道中信号可使用的最高频率和最低频率之差，单位 Hz；

  • 也可指信道中数据的传输速率，单位 bps；

• 码元：模拟信号代表不同离散数值的基本波形（时域）；

• 波特率：单位时间内传输的码元数，单位波特（Baud）；

• 比特率：单位时间内传输的比特数；

• 信源和信宿：字面意思，信号的源端和目标端；

1.2. 奈奎斯特定理 & 香农定理

• 奈奎斯特定理：无噪声情况下，码元传输速率的最大值 B 和信道带宽 H 之间满足：$B=2H$；

  • 转换到最大比特率：$C=2H{\log }_{2}N=B{\log }_{2}N$ (bps)

  • 二进制意义下，${\log }_{2}N$ 为一个码元所能表示的 bit 个数；

    • e.g. 二进制传输，若只有两种码元则 ${\log }_{2}N=1$，若有四种码元，则 ${\log }_{2}N=2$；

• 香农定理：带噪声的信道容量：$C=H{\log }_2(1+S/N)$ (bps)

  • $S$ 信号功率，$N$ 噪声功率，$S/N$ 信噪比，单位通常为分贝 dB；

  • 比值 $\leftrightarrow$ 分贝：$\mathrm{dB}\leftrightarrow 10\log (S/N)$；

1.3. 编码与调制

• 基本的二进制调制方法（了解）：幅度调制 AM，频率调制 FM，相位调制 PM；

• 编码：用不同极性和幅度的电压来表示数字 0 和 1，反之为解码；

  

  • 非归零编码（NRZ）：负电压表示 0，正电压表示 1，中间不会回到 0；

  • 归零编码：用负和正脉冲代表数字 0 和 1，会回到 0 值；

    • 具有同步功能，可以鉴别信号丢失；

  • 曼彻斯特编码（⭐）：用电压跳变代表数字 0 和 1，低到高为 1，高到低为 0；

    • 降低了信号的直流分量；

    • 跳变自身可作为时钟信号，无需额外同步信号，降低了成本；

  • 差分曼彻斯特编码（⭐）：

    • 每个时钟周期的中间发生一次跳变，作为同步；

    • 每个时钟周期起始，若跳变，则是 0，不跳变则是 1；

1.4. 电路、报文和分组交换

• 电路交换

  • 建立：传输任何数据前，都要建立一条端到端的电路（物理）；

  • 传输：传输过程中，收发者独占线路，电路必须保持连接；

  • 拆除：传输完成后，解除该线路连接，释放接线资源；

  • 优点：传输效率高；

  • 缺点：资源利用率低，价格昂贵；

  • e.g. 早期的电报和电话接线员（交换机是直接控制物理电路通断）

    

• 报文交换

  • 数据传输单位变为一段报文；

    • 报文：是站点一次要发送的数据块，长度不限且可变；

  • 站点节点根据报文的地址信息逐节点传输报文；

  • 站点是存储转发机制：收到报文后先暂存，再查询地址信息并转发；

  • 端到端之间无需事先建立连接；

• 分组交换：改进的报文交换机制；

  • 将报文分成若干组，每组有长度上限；

  • 分组可以存放至内存，提高存储转发的交换速度；

  • 适用于交互式通信（如：终端和主机）

  • 每一个分组前面都要添加首部信息（含有地址等控制信息）；

  • 交换机转发分组也是存储转发机制；

  • 优点

    • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用；

    • 灵活：数据传输和路由查找单位为分组；

    • 迅速：不必事先建立连接；

    • 可靠：采用较为可靠的网络协议；

    • 生存性：分布式的路由选择协议；

  • 缺点

    • 时延：数据在路由节点存储转发时可能会排队，产生延迟；

    • 额外开销：每个分组都带有首部信息；

• Internet 的核心是大量路由器组成的分组交换网络，终端主机处在 Internet 体系的边缘部分；

  

• 三种交换方式对比

  

  • 电路交换：主要时延在于建立连接；

  • 报文交换：发送和接收一整个报文的时间较长；

  • 分组交换：分组后可以流水线并行收发，提高了传输效率；时延主要在于最后一个分组；

1.5. 数据报和虚电路

• 虚电路服务：一种面向连接的通信方式；

  

  • 事先规定收发端的数据经过哪几个特定的路由器，形成一个链路；

  • 所有的分组都按照此链路进行传输；

  • 选择合适的网络传输协议，可实现分组的按序收发；

  • 虚电路 vs. 电路交换：前者是逻辑上的连接，只是一种约定。而后者是物理上的电路；

• 数据报服务：灵活的，无连接的，尽最大努力交付的数据传输服务；

  

  • 网络层向上提供；

  • 网络层发送分组时，每个分组独立，选择任一链路传输，且不会事先建立连接；

  • 网络层不保证传输质量和传输时延，即传输数据可能丢失，重复或乱序（到达收端时）

• 对比

  

  • 虚电路的缺点主要在于：一个节点故障会导致整条链路失效，而数据报服务可能只会导致部分分组丢失；

2. 传输介质

2.1. 常见传输介质

• 有导引的传输介质：双绞线，同轴电缆，光纤；

  

  • 双绞线：屏蔽双绞线 STP，无屏蔽双绞线 UTP；

  • 同轴电缆：50 $\mathrm{\Omega }$，75 $\mathrm{\Omega }$；

  • 光纤：单模，多模；

• 无导引的传输介质：无线传输介质（波）；

  • 短波通信；

  • 微波通信；

    • WIFI

    • 3G，4G，5G

2.2. 物理层接口特性

• 定义：机械特性，电气特性，功能特性，过程特性；

  • 机械特性：接口的形状尺寸，引脚引线和一些机械装置；

  • 电气特性：接口电缆的各条线上的电压范围；

  • 功能特性：某条线上的某一电平表示何种意义；

  • 过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序（也称为时序）；

3. 物理层设备

3.1. 中继器

• 物理层连网设备，属于物理层的中间系统；

• 作用：把一根线缆中的电或光信号传递给另一根线缆，不进行路由选择和分组过滤；

• 用途：以太网扩充。延长以太网通信介质的长度，扩大以太网覆盖范围；

• 中继器不仅传送有用信号，同时也传送噪音和冲突信号，因而互相串联的中继器个数有一定限制；

3.2. 集线器

• 共享式以太网集线器（hub），类似于多端口的中继器，用于星型网络拓扑；

• 作用：不解释数据，从一个网段接收信号，将其再生后中继到其他的网段；

• 集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，各个工作站使用的还是CSMA/CD协议，共享逻辑上的总线及其带宽；

• 集线器连接的设备处于同一个广播域和冲突域（⭐）；

• 优点：扩大了局域网覆盖的范围，使得不同计算机能够进行跨域通信；

• 缺点（⭐）

  • 增大了冲突域，但总吞吐量未提高；

  • 若要连接的两个冲突域的数据率不同，不能使用集线器连接；