物理层

通信概念

一、接口特性

物理层定义了设备之间如何通过电缆、无线等物理媒介进行通信。物理层具有以下四种 接口特性：

• 机械特性：描述物理连接设备的外部物理形态和接口规范，主要包括：
  • 接口的形状（如RJ45、USB等）
  • 接口的引脚数量和排列顺序
  • 电缆的类型（双绞线、光纤、同轴电缆等）
• 功能特性：说明各个接口引脚具体的功能，例如：
  • 哪个引脚负责发送数据（Tx）
  • 哪个引脚负责接收数据（Rx）
  • 哪些引脚用于控制信号，如握手（RTS/CTS）
• 过程特性：定义了在数据传输过程中，各种物理信号是如何协作完成数据通信的过程，例如：
  • 传输起始与终止的方式
  • 信号同步的机制
  • 比特之间如何区分（串行或并行）
• 电气特性：规定了物理层信号的 电气属性，包括：
  • 电压的幅值（高电平/低电平）
  • 电流大小
  • 信号的传输速率和传输距离
  • 信号的上升沿、下降沿

二、通信指标

2.1 信道

与 信道 相关的概念有四个，需要能够辨别这几个名词：

• 信道 (Channel)：是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
• 信号 (Signal)：是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
• 信源 (Source)：产生或发送信息的设备或实体。
• 信宿 (Sink or Destination)：是指接收信息的设备或实体。

2.2 码元

一个 码元（symbol）就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带 1bit 数据，也有可能携带 2bit 数据、4bit 数据。

那么怎么实现一个脉冲信号就能携带多个 bit 数据呢？我们可以通过 调制技术 来实现，比如设置模拟信号中信号的频率、相位、振幅 等。

举个例子：把 振幅 分成四种，低（00）、中（01）、高（10）、很高（11），这样我发一个脉冲信号，它的振幅是低，那就说明发送的是 00（也就是 2bit），它的振幅是中（01），发送的就是 01（也就是 2bit）… 以此类推

2.3 波特

波特（Baud）是数据通信中的一个术语，用来表示符号（或码元）传输速率。具体来说，波特率（Baud rate）指的是每秒钟传输的码元（symbol）的数量。

码元和 波特率：一个码元可以携带一个或多个比特的信息。波特率是指每秒钟传输多少个这样的码元。例如，如果 波特率 为 1000 波特，这意味着每秒可以传输 1000 个码元。

波特率 与 比特率：波特率和比特率的关系取决于每个码元携带的比特数。

• 一个码元能携带 1bit 数据，那么 比特率 = 波特率。
• 一个码元能携带 2bit 数据，那么 比特率 = 2 倍的 波特率。
• 一个码元能携带 4bit 数据，那么 比特率 = 4 倍的 波特率。

2.4 速率

速率（Rate）是指连接到计算机网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 b/s（比特／秒）或 bit/s（有时也写为 bps )。

当数据率较高时，可用 kb/s（k = 103 ）、Mb/s（M = 106 ）或 Gb/s（G = 109 ）表示。通常把最高数据传输速率称为 带宽。

速率可以用两种指标来衡量：

• 比特率：每秒传输的比特数量
• 波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 n 比特的信息量，则 波特率 M 对应的 比特率 为 M**n bit/s

2.5 带宽

带宽（Bandwidth）在通信领域中，指通信线路能够通过的信号频率范围，单位为赫兹（Hz）。 在计算机网络中，带宽通常被引申为通信线路的数据传输能力，即数字信道所能达到的 最大数据传输速率，其单位为比特每秒（b/s）。

例子：如果家里的宽带带宽是 100Mb/s，表示网络在理想情况下，每秒最多可以传输 100兆比特 的数据，相当于大约 12.5MB/s 的下载速度。

在考题中偶尔涉及到带宽和吞吐量的区别：

• 带宽：理论上的最大传输速率，就像是一条高速公路的最大车道数。
• 吞吐量：实际传输速率，受到网络拥塞、协议开销、设备性能等因素影响，往往低于带宽。

举例：虽然网络带宽是 100Mb/s，但在高峰时段可能只能达到 70Mb/s，这 70Mb/s 就是实际的吞吐量。

2.6 时延

时延（Delay）指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，它由 4 个部分构成，分别为：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

1. 发送时延：也称 传输时延。节点将分组的所有比特推向（传输）链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

   • 发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)

2. 传播时延：电磁波在信道（传输介质）中传播一定的距离需要花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。

   • 传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)

3. 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。例如，分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

4. 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了 排队时延。

因此，数据在网络中经历的总时延就是以上 4 部分时延之和：总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延。

注意：需要区分 传输时延 和 传播时延。传输时延是路由器将分组推出所需的时间，是分组长度和链路传输速率的函数。传播时延是一个比特从一台路由器传播至另一台路由器所需的时间，是两台路由器之间距离的函数，而与分组长度或链路传输速率无关。

2.7 时延带宽积

时延带宽积（Bandwidth-Delay Product，简称 BDP）指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即：时延带宽积=传播时延×信道带宽

如下图所示，考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则 时延带宽积 表示该管道可以容纳的比特数量。

三、奈奎斯特定理

奈奎斯特定理 说明了在 无噪声干扰、带宽有限 的理想低通信道中的数据极限传输速率。当实际传输速率小于等于该速率时，可以实现无码间串扰的数据传输。

奈奎斯特定理的 核心思想 是： 即使在没有噪声的理想信道中，信道的带宽仍然限制了其数据传输能力。为了避免相邻码元之间的干扰（即码间串扰），每秒钟最多只能传输有限数量的码元，这个数量与带宽直接相关。

其中：

• C 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示无噪声条件下的最大传输速率；
• W 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道允许通过的最高频率范围；
• V 是每个码元可采用的不同离散电平数量；
• log2 V 表示每个码元可以携带的比特数（因为 V 种电平可以表示 log2V 比特信息）；
• 2W 表示每秒最多传输的码元数（波特率，baud/s）。

公式中的含义：

1. 带宽 (W) 越大，单位时间内可传输的码元数越多；
2. 每个码元的电平数 (V) 越多，所携带的信息量越大。

因此，在理想无噪声信道中，极限传输速率取决于带宽和码元的离散电平数。

四、香浓定理

香农定理 说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于改速率时，可以做到不产生误差。

香农定理的 核心思想 是： 即使信道中存在噪声，只要信息传输速率低于某个极限值（即信道容量），就一定可以通过某种编码方式实现几乎无差错的传输。这个极限值取决于信道的带宽和 信噪比。

其中：

• C 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示信道理论上的最大传输速率。
• B 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道可用的频率范围。
• S 是信号功率，表示信号的强度。
• N 是噪声功率，表示信道中噪声的强度。
• N/S 是 信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），通常以线性形式表示（不是分贝 dB）。

公式中的含义：

1. 带宽 ( B ) 越大，信道容量 ( C ) 越大：这意味着更宽的信道可以传输更多的数据。
2. 信噪比 ( N/S ) 越大，信道容量 ( C ) 越大：这意味着信号相对于噪声越强，传输速率就越高。

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编码和调制

在计算机网络中，编码 和 调制 是数据传输的两个关键过程，它们的目标都是为了让 数字信息（如二进制的 0 和 1）能够有效、准确地在 物理介质（如双绞线、光纤、无线电波等）上传输

一、编码类型

编码（encoding）指的是把 数字信号（0 和 1）转换成适合在 传输介质 上传输的电信号或光信号。常见的编码方式有以下几种：

编码方法	1 的表示	0 的表示
归零编码（RZ）	在时钟周期内由高电平跳到低电平	在时钟周期中保持低电平
非归零编码（NRZ）	时钟周期内保持高电平	时钟周期内保持低电平
反向不归零编码（NRZI）	电平与上一个时钟周期保持一致	电平相比上一个时钟周期发生跳变
曼彻斯特编码（Manchester Encoding）	在时钟周期内由高电平跳到低电平	在时钟周期中由低电平跳到高电平
差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）	电平变化与上一个时钟周期相反	电平变化相比上一个时钟周期一致

二、调制方法

调制方法 指的是把 编码后 的 数字信号 转换为 模拟信号（如正弦波），以适应 物理信道（如无线电波）的传输。

调制方法主要了解以下四种：

1. ASK (幅度偏移键控 - Amplitude Shift Keying)
2. FSK (频率偏移键控 - Frequency Shift Keying)
3. PSK (相位偏移键控 - Phase Shift Keying)
4. QAM (象限幅度调制 - Quadrature Amplitude Modulation)

调制技术	基本思想	表示方法例子	常见应用
ASK	通过改变载波的 幅度 表示数据	0: 无信号；1: 最大幅度的信号	光纤通信
FSK	通过改变载波的 频率 表示数据	0: 900 Hz；1: 901 Hz	低速无线通信、电话系统
PSK	通过改变载波的 相位 表示数据	0: 0°相位；1: 180°相位	高速无线通信，例如 Wi-Fi
QAM	同时改变载波的 幅度和相位 表示数据	16 种不同的幅度和相位组合	数字电视、Wi-Fi、有线和无线通信系统

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交换方法

一、交换

交换方式 是指在通信网络中，数据从发送方传输到接收方时，网络节点（如交换机、路由器）处理和转发数据的方式。它决定了数据传输的路径、资源分配和效率。交换方式是通信网络设计的核心，直接影响网络的性能、时延和资源利用率。

电路交换、报文交换 和 分组交换 是三种主要方式，其中分组交换又可以进一步分为 数据报和虚电路 两种方式：

1.1 电路交换

电路交换（Circuit Switching）是一种传统的通信方法，其中在发送方和接收方之间建立一个专用的通信路径（电路），该路径在整个通信过程中保持不变，其过程如下：

1. 连接建立：发送方发起请求，通过交换设备（如电话交换机）在网络中为通信双方寻找并分配一条固定路径，建立端到端的专用电路。这需要信令系统协调。
2. 数据传输：电路建立后，数据（语音、视频等）通过这条固定路径连续传输。整个通信期间，路径保持独占，即使没有数据传输，资源也不会释放。
3. 连接释放：通信结束后，发送方或接收方发出终止信号，交换设备拆除电路，释放占用的资源（如带宽、端口）供其他用户使用。

电路交换的典型应用是 传统电话网络（PSTN）。其优缺点如下：

• 优点：
  • 稳定性：一旦建立连接，通信是连续且稳定的。
  • 低延迟：由于路径是专用的，数据传输没有竞争，延迟较低。
• 缺点：
  • 资源浪费：路径在整个通信过程中被独占，即使没有数据传输时，资源仍然占用。
  • 建立时延：建立连接需要时间，初始延迟较高。

1.2 报文交换

报文交换（Message Switching）不需要建立专用路径，整个报文作为一个单元传输，节点存储并转发整个报文。其过程如下：

1. 报文发送：发送方将完整的数据消息（大小可变，可能包含文本、文件等）发送到网络中的第一个节点（通常是交换机或路由器）。
2. 存储转发：每个节点接收整个报文，存储在缓冲区，检查目标地址后，选择下一跳节点转发。报文在网络中逐跳传输，直到到达接收方。
3. 接收与处理：接收方收到完整报文后，进行处理或存储。

报文交换主要用于早期的电报和一些数据网络中。报文交换的优缺点如下：

• 优点：
  • 灵活性：不需要建立专用线路，可以动态选择路径。
  • 适应性：适合于突发性的数据传输。
• 缺点：
  • 高延迟：每个节点都需要存储和转发整个报文，增加了延迟。
  • 资源占用：大报文可能占用较多的存储资源。

1.3 分组交换

分组交换（Packet Switching）将数据分成小的分组（或数据包），每个分组独立传输，并可能通过不同路径到达目的地。其过程如下：

1. 数据分割：发送方将消息拆分为多个分组，每个分组附带头部信息（如源地址、目标地址、序列号）。
2. 分组传输：每个分组独立在网络中传输，节点（路由器）根据头部信息选择最佳路径，分组可能走不同路径到达目的地（动态路由）。
3. 存储转发：每个节点接收分组，存储后快速转发到下一跳，分组大小小，处理速度快。
4. 重组与接收：接收方收到所有分组后，根据序列号重新组装成原始消息。如果有分组丢失，可请求重传。

分组交换已经广泛应用于互联网，比如当前的 IP 协议就是分组交换的一种实现。

分组交换是对报文交换的一种改进，它具备如下优点：

• 高效性：网络资源按需分配，多个通信可以共享同一物理路径。
• 鲁棒性：分组可以通过不同路径传输，网络故障时能自动选择替代路径。
• 适应性强：适合于多种类型的数据传输（语音、视频、数据等）。

其缺点与报文交换类似，由于分组可能通过不同路径到达，可能导致抖动和延迟。

1.4 对比

• 电路交换 通过建立专用物理电路实现连续数据传输，资源独占但效率低，适合实时通信如电话；
• 报文交换 以整个消息为单位存储转发，无需预连接但时延高，适合低频大数据传输；
• 分组交换 将数据拆分为小分组独立传输，资源共享且效率高，适合现代互联网，但需处理分组丢失或乱序问题。

下图包含三种交换方式传输的时空图，横向表示距离，纵向表示时间：

需要能够图中的那一部分是 传播时间，哪一部分是 传输时间，这一部分内容可以和 数据链路层信道利用率 对比学习。

1.5 传输时间计算

二、数据报和虚电路

在 分组交换 中，根据分组的路由和连接方式，分组交换分为数据报（Datagram）和虚电路（Virutal Circiut）两种模式：

• 数据报：一种 无连接 的分组交换方式，每个分组（数据报）独立传输，包含完整的源地址和目标地址，网络根据每个分组的头部信息动态选择路由路径。
• 虚电路：一种 面向连接 的分组交换方式，在通信开始前建立一条逻辑路径（虚电路），所有分组沿此路径传输，模拟电路交换的稳定连接。

下表对比了数据报和虚电路的特性：

特性	数据报	虚电路
连接性	无连接，每个分组独立处理	有连接，建立虚电路后传输分组
路由	每个分组独立路由	虚电路建立后，沿着相同路径路由
通信开销	较低，不需要建立和维护连接	较高，建立连接需要额外开销
分组到达顺序	不保证分组到达的顺序	保证分组按照发送顺序到达
分组丢失	可能出现分组丢失，需要上层协议处理	较低的丢包率，可靠传输
带宽利用率	不需要预留带宽，按需使用	预留带宽，可能造成资源浪费
适用场景	Internet 中的 IP 数据包	电路交换、ATM 等有连接通信
例子	Internet 中的 IP 分组	早期电话网络、ATM 网络

数据报和虚电路是两种不同的通信服务模型，适用于不同的通信需求和网络类型。数据报适合于互联网等不保证可靠传输的环境，而虚电路适合于对可靠性要求较高的电路交换和 ATM 等网络。选择合适的通信模型取决于应用需求和网络设计。

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物理层设备

一、集线器

定义：集线器（Hub）是一个 物理层设备，用于将多台计算机或其他网络设备连接在一起，从而形成一个单一的网络段。

工作方式：当一个设备通过集线器发送数据时，数据会被 广播到 集线器的所有其他端口。每个连接到集线器的设备都会收到这些数据，但只有目标设备才会处理它。集线器本身不会分析或查看传输的数据。

局限性: 由于集线器将数据广播到所有设备，所以它可能导致 网络拥塞。因此，在大型或流量较大的网络中，集线器已经被交换机所取代，交换机能够智能地将数据转发到目标设备。

二、中继器

定义：中继器是一个 物理层设备，用于 放大 或 再生 数字 信号。

工作方式：在以太网或其他类型的网络中，数据在电缆上只能传输一定的距离，超过这个距离，信号会减弱或退化。中继器放置在这种距离的两端，用于接收退化的信号，放大或再生它，然后将它传输到下一段电缆。

应用：中继器被用于 扩展网络 的物理范围，超出了单一段 电缆 或 物理媒体 的限制。

三、网络适配器

定义：网络适配器 (Network Adapter)，也称为网络接口卡（NIC）或简称 网卡，是一种硬件组件，用于 连接计算机到一个网络。

工作方式：网络适配器为计算机提供了一个或多个网络连接端口，它将计算机的 数字数据 转换为可以在物理媒体（例如双绞线、光纤或无线电波）上传输的 信号。同样，当信号从网络到达网络适配器时，它会将这些信号转换回计算机可以理解的数字数据。

物理地址：每个网络适配器都有一个唯一的 物理地址，称为 MAC 地址。这个地址在生产时被烧录到设备中，用于在局域网内唯一地识别设备。

四、电缆

• 双绞线 (Twisted Pair)：双绞线由一对绝缘的铜线组成，两线之间呈螺旋形地绞在一起。
• 光纤 (Fiber Optic)：光纤是由极细的玻璃或塑料纤维制成的，用于传输光信号。
• 同轴电缆 (Coaxial Cable)：同轴电缆由一个中心铜导线、一个绝缘层、一个金属屏蔽和一个外部的塑料或橡胶覆盖层组成。

双绞线（twisted pair cable）的结构如上图所示，“双绞线”之所以叫“双绞线”，是因为它的结构真的就是两根 绝缘铜线 按照一定方式互相“绞”在一起。 这种“绞合”结构是为了 抗干扰，让数据传输更加 稳定可靠

光纤（fiber optic）的结构如上图所示，光纤利用光在里面的 反射 来传输数据。相比电信号，它的 抗干扰能力 更强、传输速度 更快、距离 也更远，非常适合 高速 的数据通信

同轴电缆（coaxial cable）的结构如上图所示，它由 中心铜导体、绝缘层、金属屏蔽层 和 外护套 组成。 其中，金属屏蔽层可以有效减少外界电磁干扰，同时也防止信号向外泄漏。

同轴电缆常用于有线电视、宽带接入和一些局域网连接，具有抗干扰能力强、传输稳定的特点。