计算机网络——物理层
一、通信基础
1.相关术语：
• 数据(data)——运送消息的实体。
• 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
• “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
• “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数
值的基本波形。
在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号
称为（二进制）码元。而这个间隔被称为码元长度。值得注意的是当码元的离散状态大于2
个时（如M大于2）时，此时码元为M进制码元。
码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的
次数），单位是波特（Baud）
信息传输速率：它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是
比特/秒（bit/s或b/s）
若一个码元携带n bit 的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s。
带宽：最大比特率，单位bit/s或b/s
• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）——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)。
• 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
• 信源——产生和发送数据的源头，也称为源站。
• 信宿——信息的归宿，一般是接受数据的终点，也称为目的站。
• 信道——传输数据的通道，可分为物理信道和逻辑信道。
二、奈奎斯特定理与香农定理
1、奈奎斯特定理：奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他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。
• 极限码元传输速率= 2W
• 因此，极限数据传输速率= 2W log2V b/s
• W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
• V 为每个码元离散电平的数目；
• 码元离散电平的数目=有多少种不同的码元=码元的有效值=一个码元包含的信息量
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对
码元的判决（即识别）成为不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传
送码元而不出现码间串扰。
• 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限
值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特
的信息量。
• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
2、香农定理：香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
• 信道的极限信息传输速率C 可表达为 C =W log2(1+S/N) b/s
• W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
• S 为信道内所传信号的平均功率；
• N 为信道内部的高斯噪声功率。
• 信噪比=10 log10(S/N)
香农公式表明
• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的
传输。
• 若信道带宽W 或信噪比S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C 也就没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
三、基带信号和带通信号
• 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的
数据信号都属于基带信号。
• 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或
直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。
• 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传
输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
基本的调制方法
• 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许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)。
• 最基本的二元制调制方法有以下几种：
• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
数字数据调制为模拟信号
数字数据编码为数字信号
• 把数据称变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程为编码。
• 几种编码方式（数字数据编码为数字信号）
- 非归零码（ NRZ）是用两个电压来代表两个二进制数字，如用低电平表示0，用高电平表示1；或者相反。
- 曼彻斯特编码（Manchester Encoding)将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。
- 差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。
四、传输介质及物理层设备
1、数据交换：通常将数据在通信子网中各节点间的数据传输过程称为数据交换。
交换技术是采用交换机（或结点交换机）等交换系统，通过路由选择技术在进行通信的双
方之间建立物理的/逻辑的连接，形成一条通信电路，实现通信双方的信息传输和交换的一
种技术。
2、电路交换：电路交换必定是面向连接的。
电路交换的三个阶段：建立连接、通信、释放连接。
优点：
（1）由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。
（2）通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。
（3）双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
（4）电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
（5）电路交换的交换设备及控制均比较简单。
缺点：
（1）电路交换平均连接建立时间对计算机通信来说较长。
（2）电路交换建立连接后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其
他用户使用，因而信道利用率低。
（3）电路交换时，数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端很难相互进行通信，
也难以在通信过程中进行差错控制。
（4）这种通信方式非常适合语音（如打电话）这种对实时性要求高的业务。但不适合数
据通信业务，由于物理通路被通信是独占的，不能供其他用户使用，因而信道利用低。
3、报文交换：数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。
优点：
①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时
发送报文。
②由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：
a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；
b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行
通信；
c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址
d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换
③通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理
通路，因而大大提高了通信线路的利用率。
缺点：
①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报
文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文
交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据
②报文交换只适用于数字信号。
③由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，增加了传送时延。
4、分组交换：
• 同报文交换一样，分组交换也采用了存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。
• 分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块
• 再加上—些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组。
添加首部构成分组
每一个数据段前面添加上首部构成分组。
分组交换的传输单元
• 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
• 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。
优点:
①因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种
流水线式传输方式减少了传输时间。
②分组长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，所以交换节点中对存储器的管理被简化为对
缓冲区的管理，相对比较容易。
③分组较短，出错几率减少，每次重发的数据量也减少，不仅提高了可靠性，也减少了时延。
缺点：
①尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须
具有更强的处理能力。
②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的
信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，
时延增加。
③当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，
要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。
三种交换的比较
5、分组交换的实现
1、数据报（Datagram)：无连接的数据传输,工作过程类似于报文交换。采用数据报方式
传输时，被传输的分组称为数据报。当一对站点之间需要传输多个数据报时，由于每个数据
报均被独立地传输和路由，因此在网络中可能会走不同的路径，具有不同的时间延迟，按序
发送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点，但多数都是同顺序的，所以UDP并不对其数
据报进行排序，以提高传输速度。
2、虚电路（Virtual Circuit)：虚电路是面向连接的数据传输，工作过程类似于线路交换，不同
之处在于此时的电路是虚拟的。它的传输路径是确定的（但不一直占有，按照确定的传输路径，
从一个节点到下一个节点不断的储存转发，直到目的地为止），不存在路由选择和数据包排序的
问题。但是需要建立呼叫请求建立线路，由于虚电路的建立和释放需要占用一定的时间，因此虚
电路方式不适合站点之间具有频繁连接和交换短小数据的应用。
五、物理层的基本特性
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
物理层下面的传输媒体
1、导引型传输媒体
• 双绞线
• 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
• 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同轴电缆
50 Ω同轴电缆
75 Ω同轴电缆
光纤
2、无线传输介质
• 无线电波
• 微波、红外线和激光
3、物理层设备
• 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
• 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器
• 中继器：又称为转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号由于经过
一长段电缆，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的
要求，来扩大网络传输的距离。
用多个集线器可连成更大的局域网
用集线器扩展局域网
• 优点
• 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
• 扩大了局域网覆盖的地理范围。
• 缺点
• 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
• 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
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