【计算机网络】第二章——物理层

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收录于专栏【计算机网络】

本专栏旨在分享学习计算机网络的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌

目录

• 一、物理层基本概念
• 二、传输媒体
• 三、传输方式
• 四、编码与调制
• • 传输媒体与信道的关系
  • 常用编码
  • 基本调制方法
  • 五、信道的极限容量
  • • 乃氏准则
    • 香农公式
    • 例题

      计算机网络中的物理层的任务就是解决在各种传输媒体上传输比特流即0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务（数据链路层无需关系物理层究竟是使用什么方式来传输比特0和1，数据链路层只管享受物理层提供的比特流传输服务即可。）。

      一、物理层基本概念

      计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多，主要分为两大类：导引型传输媒体、非导引型传输媒体。

      

      微波通信：常见的有2.4GHz和5.8GHz的频段的WiFi信号。

      物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有下面4个任务：

      

      传输媒体的种类众多，物理连接方式也有很多种（比如点对点连接、广播连接等），故物理层协议种类就比较多。每种物理层协议都包含了上图中的四个任务中的具体内容。故在学习物理层协议是应该把重点放到基本概念上，而不是某个具体的物理层协议。

      

      二、传输媒体

      分为两类：导引型传输媒体（电磁波被导引沿着固体媒体传播）、非导引型传输媒体（指自由空间）。

      

      三、传输方式

      串行传输和并行传输：

      • 串行传输：数据是一个一个比特按照顺序依次发送的。所以发送端和接收端之间，只需要一条数据传输线路即可。
      • 并行传输：一次发送n个比特而不是一个比特，故在发送端和接收端之间需要n条传输线路。优点：传输比特的速度是串行传输的n倍。缺点：成本高。

        比如在计算机网络中，数据在传输线路上采用的是串行传输。而计算机内部的传输方式常常采用的是并行传输（比如CPU和内存中间通过总线进行数据传输）。另外，常见的数据总线宽度有8位、16位、32位、64位。

        同步传输和异步传输：

        • 同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以便知道接收的是比特1还是比特0。但是不同设备的时钟频率存在一定差异，所以不可能做到完全相同，在传输大量数据过程中，所产生的判别式可的累计误差会导致接收端对比特信号的判别错位。故需要采取方法使得双方的时钟保持同步。

          外同步：发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号，接受端按照始终同步信号的节奏来接收数据。

          内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如传统以太网使用的曼彻斯特编码）。

          • 异步传输（异步指字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定但字节中的每个比特仍然要保持同步，也就是各比特的持续时间是相同的）：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔是不固定的。接收端仅在每个字节的起始处对自己厄内的比特实现同步。因此通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

            

            

            单向通信（单工）和双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）：

            • 单工：通信双方只有一个数据传输方向（比如无线电广播采用的就是这种通信方式），需要一天信道。
            • 半双工：通信双方可以相互传输数据但不能同时进行（比如对讲机），需要两条信道（发送和接收每个方向各一个）。
            • 全双工：通信双方可以同时发送和接收信息（比如电话），需要两条信道（发送和接收每个方向各一个）。

              

              

              四、编码与调制

              在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，我们将其统称为消息，而数据是运送消息的实体。

              计算机中的网卡将比特0和比特1变换为相应的电信号发送到网线（理解为信号是数据的电磁表现）。

              由信源发送的电信号称之为基带信号。而基带信号分为两类：数字基带信号（例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号）和模拟基带信号（比如麦克风收到信号后产生的音频信号）。

              信号需要在信道中进行传输，而信道可分为数字信道和模拟信道两种。

              对于数字信号的处理有编码和调制两种方式。

              • 编码：在不改变信道性质的前提下仅对数字基带信号的波形进行变换称之为编码，编码后产生的信号仍为数字信号，即可以在数字信道中传输（比如以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B）。
              • 调制：把数字基带信号的频率范围搬运到较高的频段，并转换为模拟信号称为调制。调制后产生的信号是模拟信号，即可以在模拟信道中传输（比如WiFi使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方法）。

                对于模拟基带信号的处理也有编码和调制两种方法。

                • 对模拟基带信号进行编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM，即将模拟音频信号进行采样、量化、编码这三个步骤进行数字化。
                • 对模拟信号进行调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的的载波信号中传输（例如传统电话）。另一个就是FDM技术，可以充分利用带宽资源。

                  

                  传输媒体与信道的关系

                  传输媒体和信道不同直接划等号：对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道。对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道（即发送和接收信道）。

                  如果使用信道复用技术，那么一条传输媒体还可以包含多个信道。

                  在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。

                  

                  常用编码

                  • 不归零编码：不归零指的是在整个码元时间内，电平不会出现零电位。

                    

                    如上图，不归零编码中，要想判断是两个码元还是三个码元的话就需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步。所以这就需要一根额外的传输线来传输时钟信号。接收方按照时钟信号的节奏来逐个接收码元。但是在计算机网络中宁愿利用这跟传输线来传输数据信号，也不愿意让它来传输时钟信号。因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用不归零编码。

                    • 归零编码：每个码元在传输结束后信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后采样即可，因此不需要单独的时钟信号。实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”的方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。

                      归零编码优点：自同步。

                      归零编码缺点：编码效率低。

                      

                      • 曼彻斯特编码（如传统以太网）：每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。另外到底是正跳变表示比特0、负跳变表示比特1，还是说正跳变表示1、负跳变表示0没有特别规定。这里码元中间时刻的跳变既表示时钟又表示数据。

                        

                        • 差分曼彻斯特编码：在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变，注意这里与曼彻斯特编码不同的是这里的跳变仅仅表示的是时钟，这里利用码元开始处电平是否发生变化来表示数据。

                          

                          

                          基本调制方法

                          下图是一个待传输的数字基带信号，即来自信源的原始数字信号，我们要是用模拟信道来传输，因此需要将数字基带信号通过调制方法调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。

                          

                          下图是挑幅（AM）产生的模拟信号，无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1。

                          

                          下图是调频（FM）产生的模拟信号

                          

                          下图是调相产生的模拟信号

                          

                          通过上面我们知道使用基本调制方法的话一个码元只能包含一个比特信息。我们可以通过混合调制的方法来是使得1个码元可以包含多个比特信息。

                          

                          频率是和相位相关的，即频率是香味随时间变化的变化率。所以一次只能调制频率和相位中的一个。

                          

                          通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

                          我们来举一个混合调制的栗子——正交振幅调制QAM：

                          • QAM-16

                            这种调制方法所调制出来的波形可以有12种相位、每种相位可以有1或2种振幅可选。

                            QAM16可以调制出16种码元（即16种波形），每种码元对应着对应表示4个比特（注意每个码元和4个比特的对应关系不能随便定义。），可以在星座图种画出该调制方法所产生的码元。

                            图中的5个码元（A、B、C、D、E）原本都是表示4个比特0的，由于传输过程中失真，导致这五个码元没有落在理想位置。接收端将码元A、B、C解调为0000（这是正确的），将码元D解调为0001（有一个错位），将码苑E解调为1111（4位全错）

                            

                            每个码元与4个比特的对应关系应该采用格雷码，即任意两个相邻的码元只有一个比特不同。

                            

                            五、信道的极限容量

                            信道在传输过程中会受到各种因素影响。

                            如图是一个数字信号，当它通过实际的信道后波形会失真 ，在失真不严重时，还可以在输出端根据已失真的波形还原出发送的码元。如果失真比较严重的话就很难判读这个信号在什么时候是1，在什么时候是0。

                            信号波形失去了码元之间的清晰界限，此现象叫做码间串扰。

                            

                            失真原因如下：

                            

                            乃氏准则

                            

                            基本调制方法中的调幅、调频、调相属于二元调制，只能产生两种不同的码元（即两种不同的基本波形），故每个码元只能携带1比特的信息量。

                            混合调制属于多元调制，例如QAM16可以调制出16种不同的码元（可以理解为16种不同的波形），故每个码元可以携带4比特的信息量。

                            

                            香农公式

                            信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别，噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。

                            

                            

                            例题

                            

                            频率带宽就是信道带宽。

                            调制速度就是码元传输速度。

                            码元所携带的比特数目也会影响信道传输速率。

                            

                            

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