【计算机网络】（三）物理层 - 通信基础

前言

本篇文章大部分内容摘自谢仁希编著的《计算机网络 第8版》和《王道2025计算机网络考研指导》

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3.1 物理层的基本概念

首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能在连接的各种计算机的传输媒体上传输比特流，而不是指具体的传输媒体。

现有的计算机网络中的硬件设备和传播媒体非常繁多，而通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用就是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使之上的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务。

用于物理层的协议也常叫物理层规程（procedure）。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。

3.2 数据通信的基础知识

一个通信系统可以划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分：

• 源点（Source）：源点设备产生要传输的数据。
• 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。

目的系统一般包括以下两部分：

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理的信息。
• 终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流。

3.2.1 数据、信号、码元

通信的目的是传送消息（message）。文字、图像、视频等都是信息。数据（data）是运送消息的实体。根据RFC4949给出的定义，数据是使用特定方式表示地信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。

**信号（signal）**是数据的电气或电磁的表现。根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两类：

• 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号（离散型号）：代表消息的参数的取值是离散的。

在使用时间域（简称时域）的波形表示数字型号是，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

3.2.2 信源、信宿、信道

信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。

信道是信号传输的介质，一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单向通信：又称单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
• 双向交替通信：又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间可以再反过来。
• 双向同时通信：又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交通通信、双向同时通信都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

3.2.3 编码、调制

来自信源的信号常称为基带信号，基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而很多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。

调制可分为两大类：

• 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，变换后的信号仍然是基带信号。
• 带通调制：使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中运输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），使用载波的调制称为带通调制

由于基带调制只是把数字信号转化为另一种方式的数字信号，因此大家更愿意把基带调制称为编码（coding），把带通调制称为调制。

王道的《2025计算机网络考研指导》补充：

信号是数据的具体表示形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转化为信号，数据转化为模拟信号的过程称为调制，数据转化为数字信号的过程称为编码。

数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转化为模拟信号传输；同样，模拟数据可通过PCM编码器转化为数字信号传输，也可通过放大器调制器转化为模拟信号传输，这样就形成了4种编码与调制方式：

• 数字数据编码为数字信号
• 模拟数据编码为数字信号
• 数字数据调制为模拟信号
• 模拟数据调制为模拟信号

• 模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。
• 数字数据(Digital Data)是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。
• 模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)等。
• 数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲等物理信号。

3.2.3.1 基带调制（编码）

数字数据编码为数字信号

常用的编码方式：

• 不归零制（NRZ）：正电平代表1，负电平代表0。这种方式一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高，但由于收发双方存在同步问题，因此双方都需要带有时钟线。
• 归零制（RZ）：高电平代表1，低电平代表0，每个码元的中间均跳变到零电平。接收方可根据跳变调整自身的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到一定的影响。
• 反向不归零制（NRZI）：用电平的跳表示0，电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0的编码方式就是这种方式。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳代表0，位周期中心的向下跳代表1，也可以反过来定义。电平跳变即作为时钟信号（用于同步），又作为数据信号。
• 差分曼特斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。电平信号的跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个，码元的开始处是否有电平跳变。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码在每个码元的中间都发生电平跳变，相当于一个码元一分为二，编码速率是码元速率的2倍，二者所占的频道带宽是原始基带宽度的2倍。标准以太网使用的就是曼彻斯特编码，而差分曼彻斯特编码责备广泛用于宽带高速网中。

模拟信号转化为数字信号

模拟信号转化为数字信号主要包括采样、量化和编码三个步骤，常用于对音频信号进行编码的PCM编码。

• 采样是指对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
• 量化是指将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数值并取整，这样就将连续的电平幅值转化离散的数字量。
• 编码是指将量化得到的离散整数转化为与之对应的二进制编码。

采样定理（奈奎斯特定理）：在模拟信号转化为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 f，那么采样率 f_采样必须大于或等于 f 的2倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息。

3.2.3.2 带通调制（调制）

数字数据调制为模拟信号

基本的调制方法：

• 调幅（AM）：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0和1分别对应于无载波或有载波输出。
• 调频（FM）：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0和1分别对应于频率 f1 和 f2。
• 调相（PM）：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0和1分别对应于相位0度和相位180度。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上给为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如：正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）

QAM是指在频率相同的前提下，将AM与PM结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，那么QAM的传输速率R = Blog₂(mn)

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要更高的频率，这种调制方式可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。

3.2.4 信道的极限容量

几十年来，通信领域的学者一直在努力寻找提高数据传输速率的途径，这个问题很复杂，因为任何实际地信道都不是理想的，信号在信道上传输时会不可避免地产生失真。但是只要在接收端能够从失真的信号波形中识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。但是若信号失真很严重，则接收端就无法识别出每个码元。码元的传输速率越高，或者信号的传输距离越远，或者噪声干扰越大，或者传输介质的质量越差，接收波形的失真就越严重。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：

1. 信道能够通过的频率范围

   具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端受到的波形前沿和后延就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端受到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰。

   严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。早在1924年，奈奎斯特（Nyquist）就提出了著名的奈氏准则（又称奈奎斯特定理），给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

   奈氏准则：在带宽为 W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的识别成为不可能。

   若用V表示有多少种不同的码元，则：

   理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog₂V（b/s）

2. 信噪比
   噪声存在于所有的电子设备中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有是会很大，因此，噪声会使接收端对码元的识别产生错误。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比是指信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为（S/N），但通常大家都是使用分贝（dB）作为度量单位。即：

信噪比（dB） = 10 log₁₀（S/N）(dB)

1948年，信息论的创始人香农（Shannon）推导出了著名的香农公式，给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限传输速率。

信道的极限传输速率 = Wlog₂（1 + S/N）（b/s）

W为信号的频率带宽（单位为Hz），S为信道内所传输信号的平均功率，N为信道内的高斯噪声功率。

香农公式表明：

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
2. 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在着某种方法来实现无差错的传输。

3.3 物理层之下的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为：

1. ”导向传输介质：如铜线或光纤等。
2. 非导向传输介质：如空气、真空或海水等。电磁波在非导向传输介质中的传输称为无线传输。

3.3.1 导向传输介质

1. 双绞线

   双绞线是由多组绝缘铜导线相互缠绕而成的线缆，双绞线内部介质也是铜线，内部传输为电信号，根据电磁原理，变化的电流会产生磁场，缠绕目的是：两两抵消磁场，降低信号干扰。

   最早双绞线只有2芯，用于电话数据传输，现在已经淘汰，目前主流的双绞线都是4对8芯。

   根据双绞线的外面有无一层金属丝编织成的屏蔽层，双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）与非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。
   
   双绞线的价格便宜，模拟传输和数字传输都可使用双绞线，通信距离一般为几千枚到数十千米。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。距离太远时，对于模拟传输，要使用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要使用中继器来对失真的信号进行整形。

2. 同轴电缆

   同轴电缆(Coaxial Cable)是一种电线及信号传输线，一般是由四层物料造成：最内里是一条导电铜线，线的外面有一层塑胶（作绝缘体、电介质之用）围拢，绝缘体外面又有一层薄的网状导电体（一般为铜或合金），然后导电体外面是最外层的绝缘物料作为外皮。
   

   同轴电缆一般分为两类：

   • 50Ω同轴电缆：主要用于传送基带数字信号，在早起局域网中应用广泛
   • 75Ω同轴电缆：主要用于传送带宽信号，在有线电视系统中应用广泛。

   因为外导体屏蔽层的作用。所以同轴电缆具有良好的抗干扰特性而被广泛用于传输较高速录的数据。

   随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输介质。

3. 光纤

   光纤（Optical fiber）又称光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常光纤的一端的发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲发送至光纤中，光纤的另一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。
   有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。可见光的频率约为10⁸MHz，因此光纤通信系统的带宽极大。

   光纤主要由纤芯和包层构成，纤芯很细，直径仅为 8~100um，包层较纤芯有较低的折射率，光波通过纤芯进行传到。
   

   利用光的全反射特性，可以让从不同角度入射的多条光纤在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。多模光纤的光源为发光二极管，光脉冲在多模光纤中传输时逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离传输。
   

   当光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导一样，可使光线一直向前传播，而不产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤。单模光纤的光源是定向性很好地半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数千米甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。
   

   光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：

   • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
   • 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
   • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
   • 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。

3.3.2 非定向传输介质

无线通信已广泛用于蜂窝移动电话领域。随着便携式计算机的出现，以及军事、野外等特殊场合对移动联网的需要，促进了移动通信的发展，现在无线局域网的应用已非常普遍。

1. 无线电波

   无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，因此广泛用于通信领域，如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网（WLAN）等。

   因为无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接收设备无需对准某个方向就可以与无线电波发射者进行通信，大大简化了通信连接。

2. 微波、红外线和激光

   目前高带宽的无线通信主要使用三种技术：微波、红外线和激光，他们都需要在发送方和接收方之间有一条实现通路，有很强的方向性，沿直线传播。

   红外光通信和激光通信需要将要传输的信号分别转化为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再直接在空间中传播。

   微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为2~40GHz，因此通信信道的容量大。由于微波通信的信号是沿直线传播的，因此在地面上的传播距离有限，超过一定距离后就要使用中继站来接力。

   卫星通信利用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制。三颗相隔120°的同步卫星几乎就能覆盖整个地球表面，因此基本能实现全球通信。卫星通信的优点是通信容量大、距离远、覆盖广，缺点是保密性差、端到端传播时延长。

3.4 物理层设备

3.4.1 中继器

中继器的主要功能是整形、放大并转发信号，以消除信号经过一长短电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离。

3.4.2 集线器

集线器（Hub）实际上是一个多端口的中继器。当Hub工作时，一个单口接收到数据信号后，因为信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便对该信号进行整形放大，使之恢复到发送时的状态，紧接着转发到其他所有除输入端口外处于工作状态的端口。

未完待续！