【计算机网络（考研版）】第二站：物理层（一）

前言

如下图所示，这是我们之前所说的数据流动示意图

我们将按照从下向上的结构进行学习。这一讲学习第一层物理层。物理层关注在一条通信信道上传输原始比特，即无论面对什么样的传输介质(有线或者无线)都可以传输比特流，物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面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，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程(Procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。

一、传输介质

计算机网络是使独立的计算机 (可能分布于天涯海角) 能够相互通信和共享，必须有介质将它们连接起来，这就是传输介质。传输介质是网络中发送方与接收方之间的物理通路。传输介质分为两大类: 导向性传输介质和非导向性传输介质。导向性传输介质就是用一根实实在在的线来传播，如双绞线、同轴电缆和光纤。非导向性传输介质就是在自由空间中自由传播，如红外线、微波。

双绞线就是把两根互相绝缘的铜导线绞合起来。其特点是既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号。距离太远时，对于模拟信号传输，要用放大器放大衰减了的信号:对于数字信号传输，要用中继器将失真的信号进行整理。双绞线可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。屏蔽双绞线就是在普通的双绞线外加上金属丝编织的屏蔽层，以提高抗电磁干扰的能力，如表所示

双绞线

同轴电缆由内导体铜质线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。它比双绞线的抗干扰能力强，因此传输距离更远，如表所示

同轴电缆

光纤即光导纤维，根据光纤传输方式的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤，其主要优点是频带宽、衰减小、速率高、体积小、抗雷电和电磁干扰性好、误码率低、质量轻、保密性好等。单模光纤的直径只有一个光波的波长，光纤在其中一直向前传播，不会发生多次反射，适合远距离传输。多模光纤利用光的全反射特性，多模光纤的光源为发光二极管。只适合近距离传输，如表所示

光纤

传输速度：双绞线<同轴电缆<光纤

二、数据通信的基础知识

1.术语和概念

我们先约定一些术语，这些术语是我们学习计算机网络的 1+1，大家需要承认这些即定事实，虽然有时候承认他们很困难。

(1)数据:运送消息的实体。比如我们过了初试线，给意向导师发邮件，发送的邮件就是数据。

(2) 信号:数据的电气或电磁的表现。当我们采用不同的介质时，数据就有不同的表现形式，例如，我们采用电磁波发送，数据呈现磁信号特征；我们采用光纤发送，数据呈现光信号特征；但是请不要忘记，无论面对什么样的传输介质(有线或无线)物理层都可以正确地识别出比特流。

(3)“模拟的”信号:代表消息的参数取值是连续的。电、磁、波一般都是模拟信号它们的信号表现就像心电图，呈现高高低低的波形。

(4)“数字的”信号:代表消息的参数取值是离散的。这种信号在数值上首先是不连续存在电平跳变的，

无论数据或信号，都既可以是模拟的，也可以是数字的。信道上传送的信号分别为基带信号和宽带信号。

基带信号是将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上传输，称为基带传输(数字传输)；宽带信号是将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后再传送到模拟信道上传输，称为宽带传输 (模拟传输)。宽带传输在研究生考试中可以等同于频带传输，只是宽带传输比频带传输有更多的子信道，并且这些子信道都可以同时发送信号

2.通信系统的模型

要想完成数据通信和资源共享（计算机网络功能的实现），至于传输介质也不行，还需要通信的参与方。数据通信模型如下所示

(1) 源点:源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机输出数字比特流。源点又称为源站或信源，通俗地讲，称为发送方。

(2)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。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器)

(3)接收器: 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

(4) 终点:终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。例如：汉字在计算机屏幕上显示出来。终点又称为目的站或信宿，通俗地讲，称为接收方

从通信的双方信息交互的方式来看，有以下3 种基本方式

(1)单向通信，又称为单工通信，只能有一个方向的通信而不能反方向传送，特点是有去无回。

(2)双向交替通信，又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。这种通信方式有去有回，但是不能同时有去有回。

(3)双向同时通信，称为全双工通信，通信的双方可以同时发送和接收信息。也就是能同时有去有回，这种往往需要多条线路的支持。

到此就回答了信号的类型以及传输方向等。

3.物理层的接口特性

接下来我们要回答和解决这些不同的传输介质怎么相互连接，如光纤怎么和双绞线如何连接的问题。物理层的主要功能之一就是确定与传输媒体的接口的一些特性，包括以下几点。

(1)机械特性:指明接门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。这里就规定了要想实现占连必须具备的外形特征，如USB 的外形、网线的RJ-45 接口等。

如上图所示几种常见的接头。

(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。例如USB 接口的电压是

5.0V，电流要求是不大于 500mA。实际上功率就限制在 2.5W 以内。

(3)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。例如，在使用二进制编码时，可以让高电压代表0状态，低电压代表 1状态(当然，也可以反过来定义)。

(4)过程特性:也称时间特性、规程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。它规定了互连的设备或者主机发送数据的时间特征或顺序。

三、编码与调制

介质已经解决，介质的连接也解决了，那么物理层就需要解决如何从电磁光等信号中识别比特信息呢。我们先回顾两个概念，基带信号是将数字信号0和1 直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上传输，称为基带传输(数字传输):宽带信号是将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后再传送到模拟信道上传输，称为宽带传输(模拟传输)。也就说我们传输的信号方式可以采用数字信号(基带信号)，也可以采用模拟信号。

来自信源的信号常称为基带信号(数字信号)，其一般强度很弱(来自于计算机的信号肯定比较弱，RJ-45 接口的电压也就 48V，USB 的电乐是5V)，无法进行远距离传播。除此之外，物理环境、外部噪声和传播距离的增加都会进一步减弱消息的信号强度。那为了把消息信号传输到很远的地方，我们该怎么办呢?此时就通过高频率和高能量的载波信号来帮助我们实现，它传播距离更远，不容易受外部干扰的影响。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

调制制可分为编码和带通调制两大类。

编码:对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，这类调制称为基带调制，把其他信号转换为数字信号。

带通调制:需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输，把其他信号转换为模拟信号。

1.速率、波特、码元

在计算机网络中，速率是指数据的传输率，即单位时间内传输的数据量。速率一般有两种描述形式:波特率和比特率。

首先定义码元，其定义是:在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。码元是一个比较抽象的概念，这里给大家一个理解方式，每一个离散的信号都是个码元。如图 (a)中码元有4个，图(b) 中码元有7个。

波特率:又称为码元传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，也可以说是脉冲个数或者信号变化的次数，单位是波特 (Baud)。1 波特表示数字通信系统每秒传输 1个码元。

事实上我们是通过码元进行传输数据的，那么码元和比特之间是什么关系呢?面对码元首先需要区分码元，图(a)中有4个码元，图(b)中有7个码元。接着进一步观察发现图 (a)中有两种码元，一个高电压/波形，一个低电压/波形;图 (b) 中有4种元(4 个不同的电压 /波形)，于是根据编码规则，我们可以对不同种的码元进行编码，(a)中的两种码元可以用0和1表示，假设高电压 /波形是 1，低电压 /波形是0；(b)中有4种码元，可以用 00、01、10、11表示、于是码元和比特的关系可以用下图表示

假设波特率是M Baud/s，波特的种类是V，那么数据率（比特率）是：（物理层五大公式之一）

C=M* Log(2,V) b/s

2.编码

编码方法主要有以下 4种。波形如图

NRZ (Non-Return-to-Zero)编码:也称为非归零编码，即正电平表示1，低电平表示0。

每个周期全部用来传输数据，这样传输的带宽就可以被完全利用。

NRZI (Non-Return-to-Zero nverted)编码:也称为非归零逆转编码，1定义为信号有跳变，反之0定义为信号无跳变

曼彻斯特编码:利用信号的跳变方向来决定数据。在位中间，信号由高向低跳变表示数据0，信号由低向高跳变表示数据 1。

差分曼彻斯特编码:利用信号的跳变方向来决定数据。波形图中 0代表没有跳变，即上一个波形在高位，现在继续在高位，上一个波形在低位，现在继续在低位。1 代表有跳变即上一个波形在高位，现在必须改为低开始，上个一波形在高位，则必须改为从低开始。

当然也可以反过来来定义，不过不管如何，就是根据不同形状来进行区分

3.调制

调制方法主要包括以下 4 种。

调幅 (AM):即载波的振幅随基带数字信号的变化而变化。例如，0或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的变化而变化。例如，0或1分别对应于频率的低频和高频。

调相 (PM):即载波的初始相位随基带数字信号的变化而变化。例如，0或1分别对应相位0°或180°

正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM):多元制的振幅相位混合调制方法，这种方法基于的原理是振幅和相位混合成不同的状态(码元)，采用二进制信息对这些信息进行表示。假设某种信号含有M种振幅和N种频率，那么一个这种码元信号所携带的比特数是 logMN。（以2为底）

下图给出了3个实例，在每个例子中，相位和数学的相位定义一样，黑点给出了每个符号合法的振幅和相位结合。图(a)中一共4 个相位，每个相位1种振幅，每个码元信号的信息量是 log（1X4)。(b) 中一共 4个相位，每个相位4 种振幅，每个码元信号的信息量是 log(4X4)。(c)中一共 4个相位，每个相位 16 种振幅，每一个码元信号的信息量是 log(4X16)。