CS408/Computer-Network/1-physical-layer.md

物理层

基本概念

物理层需要考虑如何传输比特流，而不关心到底使用何种媒体传输数据。具体传输数据的层次是第0层。

特性

• 机械特性：规格、接口形状、引线数目、引脚数量、排列情况。
• 电气特性：电压范围、阻抗匹配、传输速率、距离限制。
• 功能特性：电平意义、接口部件的用途。
• 规程特性：工作规程和时序的关系。

通信流程

信源->数字信号->调制解调器->模拟型号->广域网->模拟信号->调制解调器->数字信号->信宿。

• 数字信号：取值离散。
• 模拟限号：取值连续。
• 信源：发送数据的源头。
• 信宿：接受数据的终点。
• 信道：信号的传输媒介。
  • 模拟信道、数字信道。
  • 有线信道、无线信道。

通信方式

• 单工通信：只能单方面通信，只需一条信道。
• 半双工通信：能发送和接受，但是不能同时发送接收，需要两条信道。
• 全双工通信：都能发送与接受，需要两条信道。

传输方式

• 串行：速度慢、费用低、适合远距离。
• 并行：速度快、费用高、适合近距离。

码元

定义：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形。这个时长内的信号就是k进制码元，时长就是码元宽度，当有M个离散状态时，成为M进制码元。

一个码元可以携带多个比特的信息。

波特（$Baud$）

指一秒可以传输多少个码元。一波特就是一码元一秒。

速率

分为信息传输速率与码元传输速率。

信息传输速率就是$b/s$，就是我们平常说的网速。

码元传输速率就是指一秒可以传输多少个码元，即单位时间内脉冲个数或信号变化的次数。码元可以理解为几个比特的集合，所以信息传输速率（网速）=码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）。单位为波特。

码元所带信息量（比特数）=$\log2,$码元进制数（码元种数）。

带宽（$Band Width$）

用来表示最高数据速率。

信道带宽指信道最高通过频率与最低通过频率之差，单位为赫兹。

奈式准则（奈奎斯特定理、$Nyquist$）

奈氏准则规定最高码元传输速率。

在理想低通条件下，避免码间串扰：

• 极限码元传输速率=$2\times$信道带宽，单位为波特。
• 极限数据传输速率=$2\times$信道带宽×$\log2,$码元种数，单位为$b/s$。

1. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多的个比特量的信息，这就需要多元制的调制方法。
2. 信道频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，就可以用更高速率进行码元的有效传输。

香农定理（$Shannon$）

香农定理规定最高数据传输速率。

信噪比=$10lg(信号的平均功率÷噪声的平均功率)$，单位是分贝（$dB$），或为信号的平均功率÷噪声的平均功率，这是一个单纯的比值。

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

极限数据传输速率=信道带宽×$\log2$($1+信号的平均功率÷噪声的平均功率)$，单位为$b/s$。

只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方式来实现无差错传输。

注意：当没有给信噪比的条件就只能使用奈氏准则，而如果当给出了信噪比与码元种数时，就需要同时使用奈氏准则与香农定理，然后取较小值作为答案。

基带信号与宽带信号

• 基带传输：将数字信号$10$直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输。是来自信源的信号，如计算机输出的表示文字或多媒体的数据信号，即发出的直接表达了要传输的信息的信号。
• 宽带传输（频带传输）：将基带信号进行调制后进行的频分复用模拟信号，再传输到模拟信道上传输。将低频的基带信号进行载波调制后将信号的频率范围移动到较高频段以便在信道中传输。
• 近距离基带传输；远距离宽带传输。

编码

即将数据转换为数字信号。

数字数据到数字信号

数字数据通过数字发送器转换为数字信号。

编码方式：

1. 非归零编码（$NRZ$）。
2. 曼彻斯特编码。
3. 差分曼彻斯特编码。
4. 归零编码（$RZ$）。
5. 反向不归零编码（$NRZI$）。
6. 4B/5B编码。

• 非归零编码：高$1$低$0$。非常容易实现，但是没有检错功能，却无法判断一个码元的开始与结束从而很难保持收发双方的同步。
• 曼彻斯特编码：将一个码元分割为两个相等的间隔，前一个间隔低后一个间隔高电平表示$0$，相反则表示$1$，注意：也相反的定义。每一个码元中间都会产生电平调变，所以中间的跳变既可以作为时钟信号用于同步，也可以用于数据信号，但是其占有的频带宽度是原基带宽度的两倍。因为每一个码元被调制为两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的一半。
• 差分曼彻斯特编码：同$1$异$0$，若码元为$1$，则前半段与上一个码元的后半个码元电平相同，若为$0$则相反。每个码元中间同样有电平跳变可用于同步，抗干扰性也强于曼彻斯特编码。

归零编码：折$1$平$0$，信号电平在一个码元内都要恢复到$0$。信道使用率低，基本上都是无使用。

反向不归零编码：折$0$平$1$，信号电平翻转表示$0$，不变表示$1$。对于全$1$的数据同步效果不好。

十进制数	4位二进制数	4B/5B编码	十进制数	4位二进制数	4B/5B编码
0	0000	11110	8	1000	10010
1	0001	01001	9	1001	10011
2	0010	10100	10	1010	10110
3	0011	10101	11	1011	10111
4	0100	01010	12	1100	11010
5	0101	01011	13	1101	11011
6	0110	01110	14	1110	11100
7	0111	01111	15	1111	11101

$4B/5B$编码：$4$位码转换为$5$位码，比特流中插入额外的比特来打断一连串的$0$或$1$，编码效率为$80%$。只采用$16$种对应$16$种不同的位码，其他$16$种作为控制码，控制帧开始与结束以及线路状态等或保留。

模拟数据到数字信号

因为计算机内部都是二进制数据，如处理的是数字音频，所以需要将模拟声音通过采样、量化转换位有限个数字表示的离散序列，这就是音频数字化。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变为时间上的离散信号。采样频率遵循采样定理。
2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换位对应的数字值并取整，于是连续的电平幅值就变为离散的数字量。
3. 编码：把量化结果转换为与之对应的二进制编码。

音频信号模拟数据通过$PCM$（脉冲编码调制）编码器转换为数字信号。

采样定理：采样频率$\geqslant2$信号最高频率。

调制

即将数据转换为模拟信号。

同时在接收端解调模拟信号转为数字信号。

数字数据到模拟信号

数字数据通过调制器转换为模拟信号。

调幅+调相=$QAM$。所以使用$QAM$技术后，码元类型=相位数×振幅数。

使用$QAM$级数的数据传输速率为=波特率×$\log_2,$(相位数×每相位振幅数)。

模拟数据到模拟信号

模拟数据通过放大调制器转换为模拟信号。

将低频信号调制为高频信号。

传输媒介

是数据传输系统种在发射设备与接受设备之间的物理通路（信道是逻辑通路）。

传输媒体并不是物理层。

• 导向性传输介质：电磁波沿着固体媒介（铜线或光纤）被导向传播。
• 非导向性传输介质：自由空间，如空气，水等等。

导向型传输介质

双绞线

• 是两根采用规则并排校合并绝缘的铜导线组成。绞合是减少电磁干扰。
• 根据有无屏蔽层分为屏蔽双绞线（$STP$）和无屏蔽双绞线（$UTP$）。$UTP$外加上金属网就是$STP$。
• 通信距离为几到数十公里。
• 距离太远需要使用放大器放大模拟信号，中继器整形数字信号。

同轴电缆

• $50\Omega$：基带同轴电缆。
• $75\Omega$：宽带同轴电缆。

光纤

• 传递光脉冲，带宽大于其他传输媒体。
• 实心纤芯与包层构成。
• 分为多模光纤与单模光纤。

定义	光源	特点	外观
单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的管线	定向性好的激光二极管	损耗小，适合远距离传输
多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	普通发光二极管	易失真，适合近距离传输

光纤特点：

1. 传输损耗小，中继距离长。
2. 抗雷电电磁干扰性能好。
3. 保密性好，无串音干扰。
4. 体积小重量低。

非导向性传输介质

• 无线电波：
  • 全方向传播；
  • 穿透率较强；
  • 可远距离通信，主要用于电话通信。
• 微波：
  • 固定方向传播；
  • 频率高、频段广、数据率高；
  • 分为地面微波接力通信与卫星通信；
    • 卫星通信的优点：通信容量大、距离远、覆盖光、广播通信与多址通信；
    • 卫星通信的缺点：传播时延长、受天气干扰大、误码率高、成本高。
• 红外线与激光：
  • 固定方向传播；
  • 需要转换为各自的信号格式再在空间中传播。

物理层设备

中继器（$RP$、$repeater$）

用于对数字信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大。

中继器的两端：

• 网段而非子网。
• 类型相同。
• 网络速度相同。
• 只负责发送而不关心是否有问题。
• 可以连不同媒体也可以连相同媒体。
• 不会存储转发所以一定要协议相同。
• $5-4-3$规则：$5$是指不能超过五个网段；$4$是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过四个；$3$是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机。

集线器（$Hub$）

集线器是多口中继器，功能类似，放大信号再转发到其他所有除输入端口外处于工作态的端口上。

• 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备（广播）。
• 因为是广播所以有大的冲突域，不能分割冲突域。
• 同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号。