《深入浅出计算机网络》第二章物理层

Channing Hsu

2.1 物理层概述

2.1.1 物理层要实现的的功能

解决在各种传输媒体上传输比特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。

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2.1.2 物理层接口特性

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2.2 物理层下面的传输媒体

  • 传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路,也称为传输介质或传输媒介。
  • 传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。

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2.3 传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

  • 串行传输是一个比特一个比特传输,因此发送端和传输端之间只需要一条数据传输线路即可。
  • 并行传输是指一次性传输多个比特,而不是一个比特。接发收端有 n 条传输线路。成本高。

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  • 远距离传输是串行传输
  • 计算机内部传输是并行传输
  • 常见的数据总线宽度有 8 位,16位,32 位和 64 位。

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2.3.2 同步传输和异步传输

同步传输:发送端发送连续不间断的信号,接收端按照时钟频率进行接收,因为发送端和接收端频率不同步,所以会产生一定的时钟误差,会导致接收端对比特信号的判别错位,那么要需要一些方式来使时钟保持同步。

  • 外同步:两条信号线,一条接收数据信号,一条接收时钟频率信号。
  • 内同步:发送端将时钟同步信号编码和发送数据一同发送(曼彻斯特编码)。

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异步传输:发送数据是有间隔不联系的,接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此,通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

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2.3.3 单向通信、双向交替通信和双向同时通信

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2.4 编码与调制

2.4.1 基本概念

  • 信道可分为数字信道和模拟信道两种,在不改变信号性质的前提下,仅对数字基带信号的波形进行变换,称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号,可以在数字信道中传输。例如以太网使用曼彻斯特编等编码。
  • 将数字基带信号搬移到较高的频段,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,可以在模拟信道中传输。例如 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,也有编码和调制两种方法。其中的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制 PCM,也就是将模拟音频信号通过采样,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载波信号中传输。例如传统的电话。另一个是频分复用 FDM 技术,可以充分利用带宽资源。

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传输媒体信道不能直接划等号

  • 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,一个发送信道,一个接收信道。
  • 使用信道复用技术,一条传输媒体还可以包含多个信道。常见是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应的信道进行传输。

2.4.2 常用编码方式

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  • 在传输大量连续1或连续0的情况下,差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。

  • 在噪声干扰环境下,检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错,因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。

  • 在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下,差分曼彻斯特编码仍然有效。

2.4.3 基本的带通调制方法和混合调制方法

1. 基本的带通调制方法

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2. 混合调制方法

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2.5 信道的极限容量

  1. 信号失真的概念

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  2. 造成信号失真的主要因素

    码元的传输速率越高、信号的传输距离越远、噪声干扰越大、传输媒体质量越差,信号经过传输后的失真就越严重。

    信号在传输过程中或受到各种因素的影响,一个数字信号通过实际的信道后,波形会产生失真,在失真不严重时,在输出端还可根据已失真的波形还原出发送的码元。

    在失真严重时,很难判断这个信号是什么时候是1,什么时候是0,信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰

2.5.1. 奈氏准则

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码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。
波特率与比特率有一定的关系:

  • 当1个码元只携带1比特的信息量时,波特率(码元/秒)与比特率(比特/秒)在数值上是相等的。
  • 当1个码元携带n比特的信息量时,波特率(码元/秒)转换成比特率(比特/秒)时,数值要乘以n。

**问:**尽管奈氏准则限制了最高码元传输速率,但是只要采用技术更为复杂的信号调制方法,让码元可以携带更多的比特,岂不是可以无限制地提高信息的传输速率吗?

**答:**回答是否定的。因为在实际的信道中会有噪声,噪声是随机产生的,其瞬时值有时会很大,这会影响接收端对码元的识别,并且噪声功率相对于信号功率越大,影响就越大。

2.5.2 香农公式

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  • 信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大,信道的极限信息传输速率C就越高。
  • 实际信道不可能无限制地提高频率带宽W或信道中的信噪比S/N。
  • 实际信道中能够达到的信息传输速率,要比香农公式给出的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中,信号还要受到其他一些损伤,例如各种脉冲干扰和信号衰减等,这些因素在香农公式中并未考虑。

在信道的频率带宽W一定的情况下,根据奈氏准则和香农公式,要想提高信息的传输速率,就必须采用多元制(更复杂的调制技术),并努力提高信道中的信噪比。

2.6 信道复用技术

2.6.1 信道复用技术基本原理

  • 复用(Multiplexing)就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
  • 当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时,就可以通过复用技术,在这条传输媒体上建立多条通信信道,以便充分利用传输媒体的带宽。
  • 尽管实现信道复用会增加通信成本(需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道),但如果复用的信道数量较大,还是比较划算的。

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2.6.2 常用的信道复用技术

1. 频分复用FDM

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2. 时分复用TDM

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3. 波分复用WDM(光的频分复用)

  • 根据频分复用的设计思想,可在一根光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号,实现基于光纤的频分复用技术。
  • 目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此,这种复用技术也称为密集波分复用DWDM。
  • 铺设光缆的工程耗资巨大,应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤,然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。

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例如,在一根光缆中放入100根速率为2.5Gb/s的光纤,对每根光纤采用40倍的密集波分复用,则这根光缆的总数据速率为(2.5Gb/s × 40)× 100 = 10000Gb/s = 10Tb/s

4. 码分复用CDM

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  • CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片,称为码片(Chip)。m的取值通常为64或128。
  • CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列(Chip Sequence)。某个站要发送比特1,则发送它自己的m比特码片序列;某个站要发送比特0,则发送它自己的m比特码片序列的反码。

假设给某个站指派的8比特码片序列为01011001
该站发送比特1:发送自己的8比特码片序列01011001
该站发送比特0:发送自己的8比特码片序列01011001的反码10100110
将码片序列中的比特0记为-1,而比特1记为+1,可写出码片序列相应的码片向量。在本例中,该站的码片向量为(-1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1)。
如果有两个或多个站同时发送数据,则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号,给每个站指派码片序列时,必须遵循以下规则:

  • 分配给每个站的码片序列必须各不相同,实际常采用伪随机码序列。
  • 分配给每个站的码片序列必须相互正交,即各码片序列相应的码片向量之间的规格化內积为0。

令向量A表示站A的码片向量,向量B表示站B的码片向量。两个不同站A和B的码片序列相互正交,就是向量A与向量B的规格化內积为0,如下式所示。

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举例2

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举例3

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