计网期末复习指南：物理层（物理层的任务、香农公式、常用信道复用技术）

前言：本系列文章旨在通过TCP/IP协议簇自下而上的梳理大致的知识点，从计算机网络体系结构出发到应用层，每一个协议层通过一篇文章进行总结，本系列正在持续更新中...

计网期末复习指南（一）：计算机网络体系结构	计网期末复习指南（二）：物理层

一.物理层基本概念

二.物理层与数据通信

▐ 常用编码方式

▐ 信道的极限容量

三.物理层下面的传输媒体

四.信道复用技术

一.物理层基本概念

在计算机网络中，物理层是网络体系结构中的第一层，负责传输原始比特流（即 0 和 1）以及物理连接的细节。物理层的主要任务是定义传输数据的方式，包括电压、光强、频率等，并规定了连接器和线缆的规范。物理层确保从一个设备到另一个设备的比特流能够在传输媒介上正确地传输，而不关心这些比特的含义或者是什么样的数据。

物理层的任务都包含些什么？

物理层的主要任务包括：

传输数据比特流： 确保比特流能够在传输媒介上正确地传输，包括了数据的编码、解码、传输速率等方面。
物理连接的建立和维护： 确保网络设备之间的物理连接能够正常建立并持续稳定运行。
信号调制与解调： 将数字数据转换成模拟信号进行传输，或者将模拟信号转换为数字数据进行接收。
传输介质的管理： 管理物理层使用的传输介质（如电缆、光纤等）的选择、规范和维护。
物理拓扑的定义： 定义网络设备的物理连接方式，如总线、星型、环形等拓扑结构。

总的来说，物理层负责将数据转换成比特流，并通过物理传输介质传输到接收端，以确保网络设备之间能够进行可靠的数据传输。

二.物理层与数据通信

物理层是数据通信体系结构中的一部分，负责传输原始比特流并管理物理连接的细节。数据通信涉及将数据从一个设备传输到另一个设备，并确保数据能够以可靠和有效的方式在通信链路上传输。

物理层与数据通信的关系在于，物理层提供了传输数据的物理介质（如电缆、光纤等）和相关的硬件设备（如网卡、调制解调器等），以及传输数据的方式和规范（如编码、调制等）。它定义了如何在传输媒介上表示数据比特，并确保数据能够在通信双方之间正确传输。

数据通信则是在物理层的基础上构建起来的，涉及到更高层次的数据包、协议和传输控制，以实现数据的可靠传输和通信双方的有效交互。数据通信的实现依赖于物理层提供的传输基础设施，但也包括了更高层次的协议和算法，如数据链路层、网络层和传输层等。

也就是说如果我们要研究物理层，就自然而然的需要了解一些数据通信相关的知识，笔者在这里补充如下。

在数据通信中，从通信的双方信息来看，我们有以下三种方式：

单工通信（Simplex）： 在单工通信中，通信双方只能在一个方向上传输数据。其中一个设备负责发送数据，而另一个设备负责接收数据。这种方式类似于广播电台，它们只发送信息而不接收反馈。
半双工通信（Half Duplex）： 在半双工通信中，通信双方可以交替地发送和接收数据，但不能同时进行。这种方式类似于对讲机，用户必须按下按钮才能发送消息，释放按钮后才能接收消息。
全双工通信（Full Duplex）： 在全双工通信中，通信双方可以同时发送和接收数据，允许双方同时进行双向通信。这种方式类似于电话通信，双方可以同时说话并听取对方的回答。

对于上述的这些通信方式，他们的信号源的信号我们一般称之为基带信号：

基带信号是指未经调制的原始数字信号或模拟信号。在通信中，基带信号是指在频率为零或接近零的频段内进行传输的信号。基带信号可以是数字信号（由 0 和 1 组成的比特流）或模拟信号（代表连续变化的信息，如声音或图像信号）。

基带信号需要经过调制才能在传输媒介上进行传输。调制是将基带信号转换为适合在传输介质（如电缆、光纤、无线信道等）上传输的信号形式。通过调制，基带信号的频率通常会被移动到较高的频率范围，以便利用传输介质的特性进行传输。在接收端，经过调制的信号会被解调回基带信号进行处理和解码。

▐ 常用编码方式

我们常用的调制编码方式有以下几点：

不归零编码（NRZ，Non-Return-to-Zero）： 在一个时钟周期内，高电平代表1，低电平代表0。NRZ 编码简单直接，但可能会导致长时间没有信号变化时，接收方难以识别信号的开始和结束。
归零编码（RZ，Return-to-Zero）： 每个位周期被划分为两个子周期。在每个位周期的中间，信号回到零电平。高电平表示1，低电平表示0。RZ 编码相对于 NRZ 编码更易于时钟恢复，但需要更高的带宽。
曼彻斯特编码（Manchester Encoding）： 每个位周期被划分为两个子周期，信号变化的边界用于时钟恢复。信号从高到低表示1，信号从低到高表示0。曼彻斯特编码比 NRZ 和 RZ 编码更适合于时钟恢复，但需要更高的带宽。
差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）： 类似于曼彻斯特编码，但信号的意义是由信号变化的方向而不是绝对值确定的。这种编码方式对传输中的干扰更具鲁棒性。

这些编码方式中的选择取决于传输介质的特性、数据传输的可靠性需求以及接收端对时钟恢复的要求等因素。

▐ 信道的极限容量

解决了信号的发生源头和重点的编码方式，为了提高数据传输的效率，我们就只能将目光转向提高信道的极限容量。

信道的极限容量是指在理想条件下，信道能够传输的最大信息速率。这个概念由信息论中的香农（Shannon）定理提出，称为香农极限（Shannon Limit）。

实际上所有的电子通信设备中都存在噪声，这些噪声往往会影响我们正确的接收信号，为了用一个具体的数值来衡量这个影响，信噪比就被提了出来。

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）是衡量信号与噪声强度之间关系的指标，通常用于表示信号的质量或清晰度。信号指所传输信息的电信号，而噪声指信号中不希望的、干扰性的成分。

所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N。信噪比可以用不同的方式表示，最常见的是以分贝（dB）为单位表示的对数形式。其计算公式为：

SNR(dB) = 10⋅log10(S/N)

其中，SNR 为信号功率与噪声功率之比。在通信系统中，信噪比的值越高，表示信号相对于噪声更强，通常意味着更好的信号质量和更可靠的数据传输。

香农定理表明，对于具有带宽为 W 的理想信道，受到功率为 S 的所传信号平均功率，其极限传输速率 C（单位为比特每秒）由以下公式给出：

𝐶 = W⋅log2(1+S/N)

香农公式表明：信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

三.物理层下面的传输媒体

物理层下面的传输媒体可以分为两大类：导向型传输媒体和非导向型传输媒体。导向型传输媒体是指能够沿着特定方向传输数据的传输媒体，如双绞线、同轴电缆和光纤；非导向型传输媒体是指数据传输不受方向限制的传输媒体，如无线传输。

以下是一些常见的传输媒体：

双绞线（Twisted Pair）： 双绞线是一种常见的导向型传输媒体，通常用于局域网中。它包括一对绝缘的铜线，线对之间以一定的扭转方式排列，以减少电磁干扰。
同轴电缆（Coaxial Cable）： 同轴电缆也是一种导向型传输媒体，由一根内导体、绝缘层、外导体和外部绝缘层构成。它通常用于电视信号和网络通信中。
光纤（Optical Fiber）： 光纤是一种能够传输光信号的传输媒体，具有高带宽和抗干扰能力强的特点，被广泛用于长距离的高速通信中。
无线传输（Wireless Transmission）： 无线传输是一种非导向型传输媒体，包括无线电波和红外线等。它们可以在空间中传输数据，适用于移动通信和无线网络等场景。

这些传输媒体各有优势和适用范围，在设计和部署网络时需要根据具体情况选择合适的传输媒体。

四.信道复用技术

在通信技术中，复用（Multiplexing）是指将多个信号或数据流合并到一个信道或传输介质中的过程。复用技术允许多个通信设备共享同一个传输介质，从而提高了通信系统的效率和带宽利用率。

常见的复用技术包括：

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）：
- 原理： 将不同通信设备的信号调制到不同的频率上，然后将这些频率范围内的信号叠加在一起传输。
- 应用： 用于无线电和有线电视等广播通信中，每个广播电台或电视频道占据不同的频率。
时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）：
- 原理： 将不同通信设备的数据按照时间顺序划分为小的时间片（时隙），然后将这些时隙分配给不同的设备进行传输。
- 应用： 用于电话网络和数字通信系统中，每个用户在不同的时间片发送数据。
码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）：
- 原理： 使用不同的编码方案将不同设备的数据流混合在一起，然后通过解码将它们分离出来。
- 应用： 用于无线通信系统中，每个用户使用不同的编码方案发送数据。
波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）：
- 原理： 在光纤通信中使用，将不同波长的光信号合并在同一光纤中传输。
- 应用： 用于增加光纤传输的带宽，提高光纤通信系统的传输能力。

复用技术可以显著提高通信系统的效率，允许多个通信设备共享有限的传输资源。

这些复用技术各自有一些优点和缺点，具体取决于应用场景和需求：

频分复用（FDM）：
- 优点： 简单易实现，适用于传输带宽较宽的情况。
- 缺点： 受到频率选择性衰减等影响，可能导致信号质量下降。
时分复用（TDM）：
- 优点： 可以确保每个通信设备在每个时间片内都有固定的带宽，避免了频率选择性衰减的问题。
- 缺点： 在通信设备数量增加时，需要更高的时钟频率和更复杂的调度算法。
码分复用（CDM）：
- 优点： 具有良好的抗干扰能力，可以在相同频率范围内传输多个用户的数据。
- 缺点： 对于每个用户需要使用不同的编码方案，复杂度较高。
波分复用（WDM）：
- 优点： 可以显著提高光纤传输的带宽，增加传输容量。
- 缺点： 需要高精度的光学器件和复杂的光学调制技术，成本较高。