電腦網路學習筆記NO.2 物理層

2020 年 4 月 12 日
筆記

2.1 基本概念

2.1.1 物理層概念

物理層解決如何在連接各種電腦的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

物理層主要任務：確定與傳輸媒體介面有關的一些特性(定義標準)

機械特性：定義物理連接的特性，規定物理連接時所採用的規格、介面形狀、引線數目、引腳數量和排列情況。
電氣特性：規定傳輸二進位位時，線路上訊號的電壓範圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等。
功能特性：指明某條線上出現的某一電平表示何種意義，介面部件的訊號線的用途。
規程特性：(過程特性)定義各條物理線路的工作規程和時序關係。

2.1.2 數據通訊基礎知識

典型的數據通訊模型

數據通訊相關術語

通訊的目的是傳送資訊。

數據：傳送資訊的實體，通常是有意義的符號序列。

訊號：數據的電氣/電磁的表現，是數據在傳輸工程中的存在形式。

>數字訊號：代表資訊的參數取值是離散的。  >  >模擬訊號：代表資訊的參數取值是連續的。

信源：產生和發送數據的源頭。

信宿：接受數據的終點。

信道：訊號的傳輸媒介。一般用來表示向某一個方向傳送資訊的介質，因此一條通訊線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。

傳輸訊號：模擬信道(傳送模擬訊號)，數字信道(傳送數字訊號)

傳輸介質：無線信道，有線信道

三種通訊方式

從通訊雙方資訊的交互方式看，可以有三種基本方式:

單工通訊：只有一個方向的通訊而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。
半雙工通訊：通訊的雙方都可以發送或接收資訊，但任何一方都不能同時發送和接收，需要兩條信道。
全雙工通訊：通訊雙方可以同時發送和接受資訊，也需要兩條信道。

兩種數據傳輸方式

串列傳輸：速度慢，費用低，適合遠距離

並行傳輸：速度快，費用高，適合近距離(電腦內部數據傳輸)

2.1.3碼元、波特、速率、頻寬

碼元

碼元是指用一個固定時長的訊號波形( 數字脈衝)，代表不同離散數值的基本波形，是數字通訊中數字訊號的計量單位，這個時長內的訊號稱為k進位碼元，而該時長稱為碼元寬度。當碼元的離散狀態有M個時(M大於2)，此時碼元為M進位碼元。
1碼元可以攜帶多個比特的資訊量。例如，在使用二進位編碼時，只有兩種不的碼元，一種代表0狀態，另一種代表1狀態。

速率、波特、頻寬

速率也叫數據率，是指數據的傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量，可以用碼元傳輸速率和資訊傳輸速率表示。

1)碼元傳輸速率:別名碼元速率、波形速率、調製速率、符號速率等，它表示單位時間內數字通訊系統所傳輸的碼元個數(也可稱為脈衝個數或訊號變化的次數)，單位是波特(Baud) 。1波特表示數字通訊系統每秒傳輸一個碼元。這裡的碼元可以是多進位的，也可以是二進位的，但碼元速率與進位數無關。

2)資訊傳輸速率:別名資訊速率、比特率等，表示單位時間內數字通訊系統傳輸的二進位碼元個數(即比特數)，單位是比特/秒(b/s)。

關係:若一個碼元攜帶n bit的資訊量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為M* n bit/s。

頻寬:表示在單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的「最高數據率」,常用來表示網路的通訊線路所能傳輸數據的能力。單位是b/s。

練習題

某一數字通訊系統傳輸的是四進位碼元,4s傳輸了8000個碼元，求系統的碼元傳輸速率是多少?資訊傳輸速率是多少?若另一通訊系統傳輸的是十六進位碼元,6s傳輸了7200個碼元,求他的碼元傳輸速率是多少?資訊傳輸速率是多少?並指出哪個系統傳輸速率快?

2000Baud，4000b/s; 1200Baud, 4800b/s; 十六進位更快

四進位碼元系統

碼元傳輸速率就是8000/4=2000Baud，資訊傳輸速率就是2000log24=4000b/s

十六進位碼元系統

碼元傳輸速率就是7200/6=1200Baud，資訊傳輸速率就是1200*log216=4800bit/s

系統傳輸的是比特流，通常比較的是資訊傳輸速率，所以傳輸十六進位碼元的通訊系統傳輸速率較快，如果用該系統去傳輸四進位碼元會有更高的碼元傳輸速率。

2.1.4 奈氏準則和香農定理

失真

影響失真程度的因素：

碼元傳輸速率
訊號傳輸距離
雜訊干擾
傳輸媒體品質

碼間串擾

信道頻寬是信道能通過的最高頻率和最低頻率之差。

碼間串擾:接收端收到的訊號波形失去了碼元之間清晰界限的現象。

奈氏準則(奈奎斯特定理)

定義：在理想低通(無雜訊，頻寬受限)條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud, W是信道頻寬，單位是Hz。

理想低通訊道下的極限數據傳輸率=2Wlog₂V(b/s)，V是幾種碼元的離散電平數目。

1.在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的。若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的完全正確識別成為不可能。

2.信道的頻帶越寬(即能通過的訊號高頻分量越多)，就可以用更高的速率進行碼元的有效傳輸。

3.奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但是並沒有對資訊傳輸速率給出限制。

4.由於碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數據的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個比特的資訊量，這就需要採用多元制的調製。

香農定理

雜訊存在於所有的電子設備和通訊信道中。由於雜訊隨機產生，它的瞬時值有時會很大，因此雜訊會使接收端對碼元的判決產生錯誤。但是雜訊的影響是相對的，若訊號較強，那麼雜訊影響相對較小。因此，信噪比就很重要。

信噪比=訊號的平均功率/雜訊的平均功率，常記為S/N，並用分貝(dB) 作為度量單位，即:

信噪比 (dB) =10log₁₀ (S/N)

香農定理:在頻寬受限且有雜訊的信道中，為了不產生誤差，資訊的數據傳輸速率有上限值。

信道的極限數據傳輸速率=Wlog₂(1+S/N) (b/s)

S是信道所傳訊號的平均功率。

N是信道內的高斯雜訊功率。

W是頻寬(Hz)

信道的頻寬或信道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高。
對一定的傳輸頻寬和一定的信噪比，資訊傳輸速率的上限就確定了。
只要資訊的傳輸速率低於信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實現無差錯的傳輸。
香農定理得出的為極限資訊傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。
從香農定理可以看出，若信道頻寬W或信噪比S/N沒有上限(不可能)，那麼信道的極限資訊傳輸速率也就沒有上限。

「Nice」和「香濃」

奈氏準則 (內憂)：

頻寬受限無雜訊條件下，為了避免碼間串擾，碼元傳輸速率的上限2W Baud.

理想低通訊道下的極限數據傳輸率=2Wlog₂V

要想提高數據率，就要提高頻寬/採用更好的編碼技術。

香農定理(外患)：

頻寬受限有雜訊條件下的資訊傳輸速率。

信道的極限數據傳輸速率=Wlog₂(1+S/N)

2.1.5編碼&調製

基頻訊號與寬頻訊號

信道:訊號的傳輸媒介。一般用來表示向某一個方向傳送資訊的介質，因此一條通訊線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。

分類：

傳輸訊號：模擬信道、數字信道
傳輸介質：無線信道、有線信道

信道上傳送的訊號：

基頻訊號：將數字訊號1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數字信道上去傳輸(基頻傳輸)來自信源的訊號，像電腦輸出的代表各種文字或影像文件的數據訊號都屬於基頻訊號。基頻訊號就是發出的直接表達了要傳輸的資訊的訊號，比如我們說話的聲波就是基頻訊號。
寬頻訊號：將基頻訊號進行調製後形成的頻分復用模擬訊號，再傳送到模擬信道上去傳輸(寬頻傳輸)。把基頻訊號經過載波調製後，把訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道)。

在傳輸距離較近時，電腦網路採用基頻傳輸方式(近距離衰減小，從而訊號內容不易發生變化)

在傳輸距離較遠時，電腦網路採用寬頻傳輸方式(遠距離衰減大，即使訊號變化大也能最後過濾出來基頻訊號)

編碼與調製

數據→數字訊號(編碼)

數據→模擬訊號(調製)

數字數據編碼為數字訊號

(1)非歸零編碼[NRZ]

高1低0

編碼容易實現，但沒有檢錯功能,且無法判斷-一個碼元的開始和結束，以至於收發雙方難以保持同步。

(2)曼徹斯特編碼

將一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為低電平後-一個間隔為高電平表示碼元1;碼元0則正好相反。也可以採用相反的規定。該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳變，位中間的跳變既作時鐘訊號(可用於同步)，又作數據訊號，但它所佔的頻頻寬度是原始的基頻寬度的兩倍。所以數據傳輸速率只有調製速率的1/2

(3)差分曼徹斯特編碼

同1異0

常用於區域網傳輸，其規則是:若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的後半個碼元的電平相同，若為0，則相反。該編碼的特點是，在每個碼元的中間，都有一.次電平的跳轉，可以實現自同步，且抗干擾性強於曼徹斯特編碼。

(4)歸零編碼[ RZ]

訊號電平在-一個碼元之內都要恢復到零的這種編碼成編碼方式。

(5)反向不歸零編碼[NRZI]

訊號電平翻轉表示0，訊號電平不變表示1。

(6) 4B/5B編碼

比特流中插入額外的比特以打破一連串的0或1，就是用5個比特來編碼4個比特的數據，之後再傳給接收方，因此稱為4B/5B。編碼效率為80%。

只採用16種對應16種不同的4位碼,其他的16種作為控制碼(幀的開始和結束，線路的狀態資訊等)或保留。

數字數據調製為模擬訊號

數字數據調製技術在發送端將數字訊號轉換為模擬訊號，而在接收端將模擬訊號還原為數字訊號，分別對應於數據機的調製和解調過程。

調幅+調相(QAM)

模擬數據編碼為數字訊號

電腦內部處理的是二進位數據，處理的都是數字音頻，所以需要將模音頻通過取樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列(即實現音頻數字化)。

最典型的例子就是對音頻訊號進行編碼的脈碼調製(PCM)，在電腦應用中，能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用於素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WAV文件中均有應用。它主要包括三步:抽樣、量化、編碼。.

抽樣:對模擬訊號周期性掃描，把時間上連續的訊號變成時間上離散的訊號。為了使所得的離散訊號能無失真地代表被抽樣的模擬數據，要使用取樣定理進行取樣: f_取樣頻率≥2f_{訊號最高頻率}
量化:把抽樣取得的電平幅值按照-定的分級標度轉化為對應的數字值，並取整數，這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量。
編碼:把量化的結果轉換為與之對應的二進位編碼。

模擬數據調製為模擬訊號

為了實現傳輸的有效性，可能需要較高的頻率。這種調製方式還可以使用頻分復用技術，充分利用頻寬資源。在電話機和本地交換機所傳輸的訊號是採用模擬訊號傳輸模擬數據的方式;模擬的聲音數據是載入到模擬的載波訊號中傳輸的。

2.2 物理層傳輸介質

傳輸介質及分類

傳輸媒體並不是物理層。傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸的是訊號，但傳輸媒體並不知道所傳輸的訊號代表什麼意思。但物理層規定了電氣特性，因此能夠識別所傳送的比特流。

傳播介質：

導向性傳輸介質→電磁波被導向沿著固體媒介( 銅線/光纖)傳播。

非導向性傳輸介質→自由空間，介質可以是空氣、真空、海水等。

導向性傳輸介質–1.雙絞線

雙絞線是古老、又最常用的傳輸介質，它由兩根採用一定規則並排絞合的、相互絕緣的銅導線組成
絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾。

產生的電磁波大小相等相互抵消。(右手準則)

為了進一步提高抗電磁干擾能力，可在雙絞線的外面再加上一個由金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線(STP )，無屏蔽層的雙絞線就稱為非屏蔽雙絞線(UTP)。

雙絞線價格便宜，是最常用的傳輸介質之一，在區域網和傳統電話網中普遍使用。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通訊距離一般為幾公里到數十公里。距離太遠時，對於模擬傳輸，要用放大器放大衰減的訊號;對於數字傳輸，要用中繼器將失真的訊號整形。

導向性傳輸介質–2.同軸電纜

同軸電纜由導體銅質芯線、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外層構成。按特性阻抗數值的不同，通常將同軸電纜分為兩類: 50Ω同軸電纜和75Ω同軸電纜。其中，50Ω同軸電纜主要用於傳送基頻數字訊號，又稱為基頻同軸電纜，它在區域網中得到廣泛應用; 75Ω同軸電纜主要用於傳送寬頻訊號，又稱為寬頻同軸電纜，它主要用於有線電視系統。

同軸電纜Vs雙絞線對比：
由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，被廣泛用於傳輸較高速率的數據，其傳輸距離更遠，但價格較雙絞線貴。

導向性傳輸性質–3.光纖

光纖通訊就是利用光導纖維(簡稱光纖)傳遞光脈衝來進行通訊。有光脈衝表示1，無光脈衝表示0。而可見光的頻率大約是108MHz，因此光纖通訊系統的頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬。

光纖主要由纖芯(實心的! )和包層構成，光波通過纖芯進行傳導，包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的介質射向低折射率的介質時，其折射角將大於入射角。因此，如果入射角足夠大，就會出現全反射，即光線碰到包層時候就會折射回纖芯、這個過程不斷重複，光也就沿著光纖傳輸下去。

	定義	光源	特點	外觀
單模光纖	一種在橫向模式直接傳輸光訊號的光纖	定向性很好的雷射二極體	衰耗小，適合遠距離傳輸
多模光纖	有多種傳輸光訊號模式的光纖	發光二極體	易損耗，適合近距離傳輸

非導向性傳輸介質

無線電波：訊號所有方向傳播較強穿透能力，可傳遠距離，廣泛用於通訊領域(如手機通訊)。
微波：訊號固定方向傳播，微波通訊。頻率較高、頻段範圍寬，因此數據率很高。分為地面微波接力通訊以及衛星通訊。
紅外線、雷射：訊號固定方向傳播。把要傳輸的訊號分別轉換為各自的訊號格式，即紅外光訊號和雷射訊號,再在空間中傳播。

2.3 物理層設備

中繼器

誕生原因:由於存在損耗，在線路上傳輸的訊號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時將造成訊號失真，因此會導致接收錯誤。

中繼器的功能:對訊號進行再生和還原，對衰減的訊號進行放大，保持與原數據相同，以增加訊號傳輸的距離，延長網路的長度。

中繼器的兩端:兩端的網路部分是網段，而不是子網，適用於完全相同的兩類網路的互連，且兩個網段速率要相同。中繼器只將任何電纜段上的數據發送到另-段電纜上，它僅作用於訊號的電氣部分，並不管數據中是否有錯誤數據或不適於網段的數據。

兩端可連相同媒體，也可連不同媒體。

中繼器兩端網段一定要是同一個協議。

5-4-3規則：網路標準中都對訊號的延遲範圍作了具體的規定，因而中繼器只能在規定的範圍內進行，否則會網路故障。

集線器(多口中繼器)

再生、放大訊號

集線器的功能:對訊號進行再生放大轉發，對衰減的訊號進行放大，接著轉發到其他所有(除輸入埠外)處於工作狀態的埠上，以增加訊號傳輸的距離，延長網路的長度。不具備訊號的定向傳送能力，是一個共享式設備。

集線器不能分割衝突域→連在集線器上的工作主機平分頻寬