计算机网络——物理层

物理层

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首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏敲掉这些传输媒体和道信手段的差异，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。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即:

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
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。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

以上便是物理层接口的特性。

大家知道，数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路(传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输(这是出于经济上的考虑)，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

具体的物理层协议种类较多。这是因为物理连接的方式很多(例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接)，而传输媒体的种类也非常之多(如架空明线。双绞线，对称电缆，同轴电缆，光缆，以及各种波段的无线信道等)。因此在学习物理层时，应将重点放在掌握基本概念上。

一、通信基础

（一）信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念

通信的目的是在信源和信宿之间传送消息(message)。消息可以是语音、文字、图像、视频等各种信息表现形式，而 数据(data) 是承载和传递消息的实体。数据是经过特定方式编码后的信息，通常表现为有意义的符号序列或二进制序列。

1. 数据

数据是用于表示消息的符号序列或比特序列。在计算机网络中，数据通常以二进制的形式表示，即由“0”和“1”组成的比特序列。数据可以表示文字、音频、视频、图像等各种信息。

2. 信号

信号(signal) 是数据的电气或电磁表现形式。信号用于在传输介质上传递数据，根据信号的不同形式，可以将其分为以下两类：

• 模拟信号（或连续信号） ：信号的参数（如幅度、频率、相位等）的取值是连续的。在模拟信号中，代表信息的物理量在一个范围内可以取任意值。例如，声音在空气中的传播是一种模拟信号。

• 数字信号（或离散信号） ：信号的参数的取值是离散的。在数字信号中，信息用有限的、离散的电平表示，通常是二进制形式（如0和1）。数字信号在现代计算机网络中应用广泛。

此外，根据信号的频谱范围和传输方式，信号可以进一步分为基带信号和宽带信号：

• 基带信号 是原始的未经过调制的信号，通常直接表示数据的形式，如计算机输出的二进制数据流直接用不同的电压来表示。基带信号的频率范围从零开始，并且其最高频率通常等于其数据速率。基带信号通常用于短距离的有线传输，例如以太网。

• 宽带信号 则是经过调制后的信号，频率范围较宽，适合在更高频率上传输数据。宽带信号常用于远距离的有线或无线传输，例如通过调制将基带信号转换为高频信号，以适应长距离传输需求。

基带信号使用不同的电压表示数字信号0和1，然后送到数字信道上运输，称为基带传输，宽带信号首先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上进行传输，称为宽带传输。

3. 信道

信道(channel) 是传输信号的介质或路径，一般用来表示向某个方向传送信息的媒体，因此一条通信电路一般包含一条发送信道和一条接收信道。信道按传输介质分类，可以是有线信道（如双绞线、电缆、光纤）或无线信道（如无线电波、微波）；按传输信号形式的不同，信道分为传输模拟信号的模拟信道和传输数字信号的数字信道。信道的主要功能是将信号从发送端传递到接收端。在信道上传输信号时，可能会受到噪声、干扰和衰减等影响，导致信号的失真或丢失。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式:

1. 单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广攝以及电视广攝就属于这种类型。
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(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
3. 双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)，显然，双向同时通信的传输效率最高。

有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”，如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。正因为如此，ITU-T才不采用“单工”“半双工”和“全双工”这些容易弄混的术语作为正式的名词。

数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输是指逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行传输适用于长距离通信，如计算机网络。并行传输适用于近距离通信，常用于计算机内部，如CPU 与主存之间。

4. 带宽

带宽(bandwidth) 通常有两个含义：

1. 在模拟信号系统中是指信道能够传输的信号频率范围，即最高频率与最低频率只差，通常以赫兹（Hz）为单位表示。
2. 在通信中，带宽也常用于表示单位时间内传输数据的最大速率，通常以比特每秒（bps或b/s）为单位。带宽越大，信道的传输能力越强，可以传输更高的数据速率。

5. 码元

码元(symbol) 是信号的基本单位，每一个码元代表了若干比特的数据。码元的取值决定了数字信号的具体形式。常见的码元形式包括电压、电流、频率等不同的电气信号。

码元与比特的区别？

• 码元是用于表示信息的最小单元。在数字通信系统中，码元可以是一个电压水平、一段时间的光脉冲、或者任何能够在通信系统中传输和被接收的信号。

• 比特是信息的最小单位，它只能表示两种状态之一，通常用0和1来表示。一个比特可以看作是一个简单的“开”或“关”状态、一个“是”或“否”的决定、或者是“0”和“1”中的一个。

• 码元和比特是不同的概念，但它们之间有关系。一个码元可以包含一个或多个比特。比如，在一个通信系统中，假设一个码元有4种不同的状态（比如4种不同的电压），那么这些状态可以用2个比特（00、01、10、11）来表示。因此，一个码元可能包含多个比特信息。

• 如果一个码元有n种状态，则其最多可以表示出$log_2(n)$位比特数。

6. 波特

波特 (Baud) 是码元传输速率的单位，表示每秒钟传输的码元数。一个码元可以表示一个或多个比特，因此波特率与数据速率（比特率）密切相关，但两者并不完全相同。波特率仅指每秒钟传输的码元数，而数据速率则考虑了每个码元所表示的比特数。如果一个码元表示多个比特，则数据速率（比特率）会高于波特率。例如，在一个调制方式中，每个码元表示2个比特，那么如果波特率是1000波特，数据速率将是2000 bps。

7. 速率

速率 (Rate) 在通信中通常指数据速率 (Data Rate)，即单位时间内传输的数据量。速率通常以比特每秒（bps）为单位表示。数据速率包括两个重要的概念：

• 码元传输速率 (Symbol Rate)：也称为波特率，表示每秒钟传输的码元数量，单位为波特（Baud）。码元传输速率决定了信号的基本传输速率，但不直接反映传输的实际信息量。

• 信息传输速率 (Information Rate)：也称为比特率，表示每秒钟传输的比特数，单位为bps（比特每秒）。信息传输速率考虑了每个码元中携带的比特数，因此比特率通常等于码元传输速率乘以每个码元携带的比特数。信息传输速率直接影响通信的效率和传输质量。

8. 信源与信宿

信源(source) 是产生和发送消息的设备或系统，而 信宿(destination) 是接收和处理消息的设备或系统。在一个通信系统中，信源和信宿之间通过信道进行数据传输。信源生成数据并将其转换为信号，通过信道传输到信宿，信宿接收到信号并将其解码还原为原始数据。

（二）奈奎斯特定理与香农定理

奈氏准则和香农公式的意义是不同的，奈氏准则激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。香农公式则告诚工程人员，在有噪声的实际信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

1. 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理在1924年由奈奎斯特提出，又成奈氏准则。奈氏准则给出了理想条件下码元传输速率的上限值，即：

在带宽为W(z)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

2. 香农定理

实际的信道都是有噪声的，因此奈氏准则始终是理想情况，1948年香农推导出的香农准则则更好的刻画出了真实情况下的信道极限信息传输速率。香农公式指出:

信道的极限信息传输速率C是

$$C = W*log_2(1+S/N)(bit/s)$$

式中，W为信道的帶宽(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。

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判決产生错误(1误判为0或0误判为1)。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小，因此，信噪比就很重要。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。但通常大家都是使用分贝(dB)作为度量单位。即

$$10*log_10(S/N) (dB)$$

例如，当S/N=10时，信噪比等于10dB，当S/N=1000时，信噪比为30dB。

（三）编码与调制

建议参考湖科大教书匠计算机网络微课堂

在通信系统中，数据可以分为模拟数据和数字数据。信号是数据的具体表现形式，它可以是模拟信号，也可以是数字信号。将数据转换为模拟信号的过程称为调制，将数据转换为数字信号的过程称为编码。

数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了如下4种编码与调制方式。

1. 模拟数据的模拟调制

模拟数据的模拟调制是指将模拟数据通过调制器转换为模拟信号进行传输的过程。由于输入的数据本身是模拟形式的，因此在调制过程中，常采用以下几种常见的调制方式：

1. 幅度调制（Amplitude Modulation, AM）
   幅度调制通过改变载波信号的幅度来传输信息，信号的振幅根据输入的模拟数据而变化，而载波信号的频率和相位保持不变。AM 调制方式简单，主要用于广播电台的无线电波传输。

2. 频率调制（Frequency Modulation, FM）
   频率调制通过改变载波信号的频率来传递信息，信号的频率根据输入的模拟数据而变化，而载波信号的幅度和相位保持不变。FM 调制具有抗干扰能力强、传输效果好等优点，常用于调频广播、电视音频信号传输等场合。

3. 相位调制（Phase Modulation, PM）
   相位调制通过改变载波信号的相位来传递信息，信号的相位根据输入的模拟数据而变化，而载波信号的幅度和频率保持不变。PM 调制相对较为复杂，应用范围有限，但在某些特定通信系统中具有重要作用。

模拟数据的模拟调制已经具有广泛的应用，例如：

• 广播：AM 和 FM 是广播中最常见的调制方式，AM 适合远距离传输，而 FM 提供更好的音质。
• 电视：传统电视信号的音频部分采用 FM 调制，视频部分则使用其他调制方式。
• 卫星通信：在某些卫星通信系统中，模拟数据的模拟调制仍然被使用，尤其是在需要大范围覆盖的情况下。

这种方式的优点是技术相对成熟，实现简单，但缺点是信号容易受噪声影响，尤其是在幅度调制中，信号衰减和干扰会明显影响接收质量。

2. 模拟数据的数字编码

模拟数据的数字编码 是将模拟数据转换为数字信号的过程。这一过程通常包括采样、量化和编码三个步骤，常用于对音频信号进行编码的PCM编码。

1. 采样 (Sampling)：对模拟信号在时间轴上进行定时采样，将连续的模拟信号离散化为一系列时间点的信号值。
2. 量化 (Quantization)：将采样得到的离散电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整，这样就将连续的电平幅值转换为离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
3. 编码 (Encoding)：将量化后的信号值转换为数字码字，通常是二进制码。这种数字码字可以用来表示原始的模拟数据。

采样定理(奈奎斯特定理)：在将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为$f$，那么采样率必须大于或等于最大频率$f$的2倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息 。

数字编码后的信号可以传输在数字信道中，常见的应用场景包括音频信号的数字化（如PCM）和图像信号的数字化。

3. 数字数据的模拟调制

数字数据的模拟调制 是将数字数据转换为模拟信号的过程，常用于将数字数据传输在模拟信道中。常见的调制方式有：

• ASK (Amplitude Shift Keying, 幅移键控)：也叫调幅(AM)，通过改变载波的幅度来表示数字数据。常见的二进制ASK中，0和1分别对应两种不同的载波幅度。这种方式抗干扰能力较差。

• FSK (Frequency Shift Keying, 频移键控)：也叫调频(FM)，通过改变载波的频率来表示数字数据。常见的二进制FSK中，0和1分别对应两种不同的载波频率。这种方式容易实现，抗干扰能力强，应用广泛。

• PSK (Phase Shift Keying, 相移键控)：也叫调相(PM)，通过改变载波的相位来表示数字数据。常见的二进制PSK中，0和1分别对应两种不同的载波相位。

PSK（相移键控）是一种通过改变载波相位来表示数字数据的调制方式。常见的二进制PSK（BPSK）中，数字信号“0”和“1”分别对应两种不同的载波相位。PSK 是一种广泛使用的数字调制技术，具有抗干扰能力强、频谱利用率高等优点。其分为绝对调相（Absolute Phase Shift Keying）和相对调相（Differential Phase Shift Keying, DPSK）两种形式。

绝对调相是 PSK 的一种形式，其中载波的相位直接与数字数据的状态关联。在二进制 PSK (BPSK) 中，这通常意味着“0”和“1”分别对应于载波的两个固定相位（例如，0 度和 180 度）。每次调制时，载波的相位都会根据当前的数字数据位切换到相应的固定相位。绝对调相的特点是相位变化直接对应数据位的值，因此解调器通过检测当前载波的绝对相位即可恢复原始数据。绝对调相由于其实现简单、易于理解的特点，常用于一些基本的通信系统中，如无线电通信和低速数据传输。

相对调相（也称为差分相移键控，DPSK）是 PSK 的另一种形式，其中数字数据通过载波相位的变化相对于前一比特的相位进行编码。换句话说，当前的数字数据位“0”或“1”决定了载波相位相对于上一比特相位的增量。这样，相位的变化而非绝对相位用于表示数据。

• DPSK示例：
  • “0”表示载波相位与上一比特相位相同。
  • “1”表示载波相位相对于上一比特相位变化 180 度。

相对调相的优势在于，在接收端不需要同步载波，因为解调只需要检测相邻比特之间的相位差异，而不是绝对相位。相对调相更适用于环境噪声较大的场合或移动通信中。DPSK 常用于无线通信和卫星通信中，特别是在信道容易受到多径效应和相位抖动影响的场景下。

• QAM (Quadrature Amplitude Modulation, 正交幅度调制)：通过同时改变载波的幅度和相位来表示数字数据。QAM结合了ASK和PSK的特点，具有更高的频谱效率，常用于现代通信系统，如无线通信和有线调制解调器。

设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM的数据传输速率R为

$$R=B*log_2(mn)$$

这些调制方式广泛应用于将数字数据传输在模拟信道中，适应各种无线和有线传输环境。

4. 数字数据的数字编码

数字数据的数字编码 是指将数字数据转换为另一种形式的数字信号，通常为了适应传输信道的要求或提高传输效率。常见的编码方式有以下几种，如图：

(1)归零编码 (Return to Zero, RZ)

归零编码是一种信号编码方式，在每个比特周期内信号都会返回到零电平（归零）。在 RZ 编码中，每个比特周期分为两个部分：

• 高电平：表示“1”时，信号在比特周期的前半部分为高电平，后半部分返回到零电平。
• 低电平：表示“0”时，信号在比特周期的前半部分为低电平，后半部分返回到零电平。

RZ 编码的优点包括：

• 同步性强：由于信号在每个比特周期内都会返回到零电平，接收器能够通过检测信号的回归位置实现自同步。
• 直流分量低：信号在每个比特周期内返回零电平，减少了直流分量的出现。

缺点：

• 带宽占用高：由于信号频繁变化，带宽需求较高。

(2)非归零编码 (Non-Return to Zero, NRZ)

非归零编码是一种简单的数字编码方式，其中数字数据直接映射为高低电平，而没有中间的归零状态，因此NRZ编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟同步线。NRZ 信号在比特周期内保持恒定电平，表示“1”和“0”时，信号分别为高电平和低电平。

• NRZ-L（NRZ-Level）：最常见的 NRZ 编码方式，“1” 对应高电平，“0” 对应低电平。
• NRZ-I（NRZ-Inverted）：表示“1”时信号电平发生变化，表示“0”时信号电平保持不变。

优点：

• 带宽效率高：由于信号不需要频繁变化，带宽利用效率较高。

缺点：

• 同步性差：长时间的连续“1”或“0”可能导致接收器失去同步。
• 直流分量大：连续的“1”或“0”可能导致较大的直流分量。

(3)反向非归零编码 (NRZI, Non-Return to Zero Inverted)

反向非归零编码（NRZI）是一种通过电平变化而非绝对电平来表示数据位的编码方式。它是对传统 NRZ 编码的一种改进，旨在增强信号的同步性和抗干扰性。NRZI 编码的关键特征在于它并不直接用高低电平表示“1”或“0”，而是通过电平是否翻转来表示比特值。

编码规则

• 表示“1”：在 NRZI 编码中，数据位“1”表示信号电平在当前比特周期的起始位置发生翻转（即从高电平变为低电平，或从低电平变为高电平）。
• 表示“0”：数据位“0”表示信号电平在当前比特周期的起始位置保持不变（即电平与前一个比特周期的结束电平相同）。

示例

假设初始状态为低电平（0），对于比特序列 10110 的 NRZI 编码过程如下：

1. 初始状态：低电平 (0)
2. 第一个比特 (1)：电平翻转 → 高电平 (1)
3. 第二个比特 (0)：电平保持不变 → 高电平 (1)
4. 第三个比特 (1)：电平翻转 → 低电平 (0)
5. 第四个比特 (1)：电平翻转 → 高电平 (1)
6. 第五个比特 (0)：电平保持不变 → 高电平 (1)

结果的 NRZI 信号为：1 1 0 1 1（电平变化表示的信号）

优点

• 提高同步性：由于“1”会引起电平变化，即使是长时间的连续“0”也不会导致同步丢失。接收器可以通过检测信号的变化来保持同步。
• 抗干扰能力强：电平变化比绝对电平更容易在噪声环境中识别，从而增强了抗干扰能力。

缺点

• 复杂性略高：与传统的 NRZ 编码相比，NRZI 编码和解码的过程稍微复杂，因为它依赖于前一个比特的电平状态。
• 依赖初始状态：NRZI 编码的结果取决于初始电平状态，因此初始电平的选择可能影响整个序列的编码。

应用场景

NRZI 编码广泛应用于需要高可靠性和抗干扰能力的通信系统中。它常见于磁带存储、光纤通信和 USB 协议等场景。NRZI 编码特别适合那些信号恢复难度较大的环境，因为它可以通过电平变化简化信号的检测和恢复过程。

(4)曼彻斯特编码 (Manchester Encoding)

曼彻斯特编码是一种自同步的数字信号编码技术，广泛应用于通信系统中，尤其是在以太网标准中。曼彻斯特编码通过在每个比特周期内产生一次电平跳变，利用跳变的位置来表示比特值。由于每个比特周期内都有一个电平变化，这种编码方式能够提供强大的自同步能力，并且不会产生直流分量。

编码原理

曼彻斯特编码通过以下方式来表示数字数据：

• 表示“1”：在比特周期的中间位置，信号从低电平跳变到高电平。这意味着，在一个完整的比特周期内，前半周期是低电平，后半周期是高电平。
• 表示“0”：在比特周期的中间位置，信号从高电平跳变到低电平。在一个完整的比特周期内，前半周期是高电平，后半周期是低电平。

编码示例

假设一个比特序列 101 的曼彻斯特编码过程如下：

• 比特“1”：前半周期为低电平 (0)，后半周期跳变为高电平 (1)，结果为 ↓↑。
• 比特“0”：前半周期为高电平 (1)，后半周期跳变为低电平 (0)，结果为 ↑↓。
• 比特“1”：前半周期为低电平 (0)，后半周期跳变为高电平 (1)，结果为 ↓↑。

输出信号：↓↑ ↑↓ ↓↑

优点

• 自同步能力：由于每个比特周期内都会发生一次跳变，接收器可以通过检测跳变位置来保持与发送器的同步。这种自同步特性使得曼彻斯特编码在不需要额外的同步信号的情况下，也能实现精确的数据传输。
• 无直流分量：每个比特周期内都包含高电平和低电平，信号的平均电平接近于零，这消除了直流分量的产生。无直流分量的特性使得曼彻斯特编码在长距离传输中更加稳定。

缺点

• 带宽需求高：由于曼彻斯特编码每个比特周期内有两次电平变化，实际传输的波形频率是原始数据速率的两倍。这意味着相比于其他编码方式，曼彻斯特编码需要更高的带宽来传输相同的数据量。

(5)差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester Encoding)

差分曼彻斯特编码是一种基于曼彻斯特编码的变体，进一步增强了抗干扰能力和同步性。与曼彻斯特编码不同的是，差分曼彻斯特编码并不直接通过电平高低来表示数据位，而是通过相邻比特周期内的电平变化方向来编码数据。这种编码方式在信道质量较差或容易受到干扰的通信环境中表现出色。

编码原理

差分曼彻斯特编码的编码规则如下：

• 跳变位置：每个比特周期的中间位置总是发生一次跳变，确保信号的自同步能力。
• 表示“1”：如果当前比特是“1”，信号在比特周期的起始位置不发生电平翻转，即电平保持与上一个比特周期的结束电平相同。
• 表示“0”：如果当前比特是“0”，信号在比特周期的起始位置发生电平翻转，即电平与上一个比特周期的结束电平相反。

编码示例

假设初始状态为低电平 (0)，比特序列 101 的差分曼彻斯特编码过程如下：

• 比特“1”：起始位置与前一个比特周期结束位置相同，不翻转电平；中间位置跳变 → 1 0。
• 比特“0”：起始位置与前一个比特周期结束位置相反，翻转电平；中间位置跳变 → 0 1。
• 比特“1”：起始位置与前一个比特周期结束位置相同，不翻转电平；中间位置跳变 → 1 0。

输出信号：1 0, 0 1, 1 0

优点

• 抗干扰能力强：由于编码依赖于相邻比特周期间的电平变化，而非绝对电平，差分曼彻斯特编码在噪声较大的环境中更具优势。如果传输过程中发生了电平反转错误，影响仅限于当前比特，不会扩散到后续比特。
• 自同步能力：与曼彻斯特编码类似，差分曼彻斯特编码在每个比特周期中都有一次跳变，这种特性保证了信号的自同步能力。

缺点

• 带宽需求高：差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码一样，实际传输的频率是原始数据速率的两倍，因此需要较高的带宽来传输相同的数据量。

这些数字编码方式广泛应用于数字通信系统中，以确保信号在传输过程中的稳定性和可靠性。

（四）电路交换、报文交换与分组交换

另见此文

（五）数据报与虚电报

另见此文

二、传输介质

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体 (这里的 “导引型” 的英文就是 guided，也可译为 “导向传输媒体”)，在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播：而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

参考课本p48-p55

（一）双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

1. 双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。现在的以太网(主流的计算机局域网)基本上也是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。

在电话系统中使用的双绞线，其通信距离一般为几公里。如果使用较粗的导线，则传输距离也可以达到十儿公里。距离太长时就要加放大器以便将衰減了的信号放大到合适的数值 (对于模拟传输)，或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形 (对于数字传输)。导线越粗，其通信距离就越远，但价格也越高。

当局域网问世后，人们就研究怎样把原来用于传送话音信号的双绞线用来传送计算机网络中的高速数据。在传送高速数据的情況下，为了提高双绞线抗电磁干扰的能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的串扰，可以采用增加双绞线的绞合度以及增加电磁屏藏的方法于是在市场上就陆续出现了多种不同类型的双绞线，可以使用在各种不同的情况。

无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)(如图 2-6(a)所示)的价格较便宜。当数据的传送速率增高时，可以采用屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，简称为 STP)。如果是对整条双绞线电缆进行屏蔽，则标记为x/UTP。若x为F(Foiled)，则表明采用铝箔屏蔽层(图 2-6(b)); 若x为S(braid Screen)，则表明采用金属编织层进行屏蔽(这种电缆的弹性较好，便于弯曲，通常使用铜编织层)：若x为SF，则表明在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层进行屏蔽。更好的办法是给电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层(记为FTP或U/FTP，U表明对整条电缆不另增加屏蔽层)。如果在此基础上再对整条电缆添加屏蔽层，则有F/FTP(整条电缆再加上铝箔屏蔽层)或S/FTP(整条电缆再加上金属编织层进行屏蔽)。所有的屏敵双绞线都必须有接地线。图2-6©表示5类线具有比3类线更高的绞合度(3类线的绞合长度是7.5~10 cm，而5类线的绞合长度则是0.6~0.85 cm)。绞合度越高的双绞线能够用越高的数据率传送数据。图2-6(d)所示的是三种10GBASE-T电缆，在抗干扰能力上，UFTP比F/UTP好，而F/FTP则是最好的。

表：常用的绞合线的类型、带宽和典型应用

绞合线类别	带宽	线缆特点	典型应用
3	16 MHz	2对4芯双绞线	模拟电话；传统以太网(10 Mbit/s)
5	100 MHz	与3类相比增加了绞合度	传输速率100 Mbit/s(距离100m)
5E(超五类)	125 MHz	与5类相比衰减更小	传输速率1 Gbit/s(距离100m)
6	250 MHz	改善了串扰等性能，可使用屏蔽双绞线	传输速率10 Gbit/s(距离35-55m)
6A	500 MHz	改善了串扰等性能，可使用屏蔽双绞线	传输速率10 Gbit/s(距离100m)
7	600 MHz	必须使用屏蔽双绞线	传输速率超过10 Gbit/s(距离100m)
8	2000 MHz	必须使用屏蔽双绞线	传输速率25 Gbit/s或40Gbit/s，(距离30m)

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以减小衰减，但却增加了导线的重量和价格。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

2. 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及绝缘保护套层所组成(如图2-7所示)。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1 GHz。

3. 光纤

光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信的。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为$10^8$MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有 8~100 μm (1 μm=$10^{-6}$ m)。光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角(如图2-8所示)。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

图2-9画出了光波在纤芯中传输的示意图。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输数公里而基本上没有什么衰耗。这一点乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素。

图2-9中只画了一条光线。实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤(如图2-10(a)所示)。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤(如图2-10(b)所示)。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在100 Gbit/s的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。

在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850 nm，1300 nm和1550 nm。后两种情况的衰减都较小。850 nm波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好。所有这三个波段都具有25000~30000 GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

由于光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2 mm。因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。图2-11为四芯光缆剖面的示意图。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点:

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。这在现有电缆管道己拥塞不堪的情況下特别有利。例如，1km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。

由于生产工艺的进步，光纤的价格不断降低，因此现在己经非常广泛地应用在计算机网络，电信网络和有线电视网络的主干网络中。光纤提供了很高的带宽，而且性价比很高，在高速局域网中也使用得很多。例如，2016年间世的OM5光纤(宽带多模光纤)使用短波分复用SWDM(Short WDM)，可支持40 Gbit/s和100 Gbit/s的数据传输。

具体的复用与分用的知识在考纲中数据链路层信道划分部分体现，但教材在物理层中提出。

最后要提一下，在导引型传输媒体中，还有一种是架空明线(铜线或铁线)。这是在20世纪初就已大量使用的方法——在电线杆上架设的互相绝缘的明线，架空明线安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大。许多国家现在都己停止了铺设架空明线。目前在我国的一些农村和边远地区的通信仍使用架空明线。

4. 无线传输介质

本节课本介绍内容十分详细，这里仅简要概括。

无线传输介质，也称为非导引型传输媒体，是指无需物理导体即可进行数据传输的通信媒介。与通过电缆传输数据的方式不同，无线传输依赖电磁波在空中传播。这种传输方式广泛应用于广播、卫星通信、无线局域网、蜂窝网络等领域，极大地推动了现代通信技术的发展。

(1)无线电波

在无线传输介质中，无线电波是最为常见的一种。它的频率范围通常在3kHz到300GHz之间，具有长距离传播的特点。由于无线电波的低频特性，它们能够穿透建筑物和树木等障碍物，使得信号能够覆盖广泛的区域。然而，无线电波在传播过程中可能会遇到反射、折射和衍射等现象，导致信号通过多条路径到达接收器。这种多路径传播虽然能够增强信号覆盖范围，但也可能引起信号干扰和衰减，影响通信质量。因此，在无线电波应用中，如何有效处理多路径效应是一个重要的研究课题。无线电波被广泛应用于广播电视、AM/FM收音机、蜂窝网络和Wi-Fi等领域，成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

(2)微波

与无线电波相比，微波的频率范围较高，一般在1GHz至30GHz之间。微波信号的传播方式主要是沿直线传播，因此它们的传播距离受限于视距范围。由于地球的曲率影响，微波通信的覆盖范围相对有限，这就需要中继站或卫星来实现更远距离的通信。微波通信具有高带宽的优势，能够传输大量数据，因此常用于卫星通信、移动通信以及Wi-Fi和蓝牙等应用中。

(3)红外线

红外线作为另一种无线传输介质，频率范围通常在300GHz至400THz之间。与无线电波和微波不同，红外线的传播距离较短，且对直线传播要求较高，无法穿透墙壁等障碍物。红外线的高方向性使得它在信号传输时需要精确对准发射器和接收器。虽然红外线的应用范围较窄，但它在红外遥控器、红外数据传输和近场通信等领域发挥着重要作用。

(4)可见光

除了红外线，可见光也是一种常用的无线传输介质。可见光的频率范围在400THz至800THz之间，波长大约在400nm至700nm之间。与红外线类似，可见光波只能在视距内传播，并且容易受到障碍物的影响。可见光的优势在于其不会受到电磁干扰，这使得它在一些对电磁环境敏感的场景中具有独特的应用价值，如可见光通信（VLC）和基于光的无线通信（Li-Fi）。

(5)激光

激光也是一种重要的无线传输介质。激光信号具有极高的方向性和集中性，能够在极长的距离上传输，但前提是发射器和接收器必须精确对准。由于激光信号的集中性，它容易受到天气条件的影响，如雨、雾和烟尘等都会对激光通信产生干扰。尽管如此，激光在卫星通信、光纤通信、激光测距和激光雷达等领域仍然有着广泛的应用。

优缺点

无线传输介质在现代通信中具有许多优点。

1. 它具有很高的灵活性，不受电缆布局的限制，使得设备的移动和网络的扩展更加便捷。
2. 无线传输无需铺设物理电缆，特别适用于一些难以布线或成本高昂的地区。
3. 无线通信技术还可以覆盖大范围区域，适用于广域网和远程通信。

然而，无线传输也存在一些缺点。

1. 由于无线信号容易受到电磁波、物理障碍和天气条件的干扰，导致信号质量下降。
2. 同时，因无线信号易被截获，必须采取加密等安全措施来保护数据传输的机密性
3. 此外，无线传输的带宽通常有限，尤其在多用户同时访问时，容易导致网络拥塞。

（二）物理层接口的特性

物理层接口的特性主要是围绕如何在各种传输媒体上有效传输数据比特流展开的。物理层的重点在于屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异，从而使数据链路层不必关心这些底层细节，专注于完成其自身的协议和服务。物理层所涉及的协议，通常也被称为物理层规程，其核心任务是确定与传输媒体接口相关的几个关键特性。

1. 机械特性：描述了接口的物理连接形式，这包括接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列方式，以及固定和锁定装置的设计。比如我们日常见到的各种接插件，都有严格的标准化规定来确保它们可以正确连接并可靠工作。
2. 电气特性：涉及接口电缆上出现的电压范围、传输速率和距离限制。这些特性确保在传输数据时，信号电平能够在不同设备之间正确传递，不会因电气不兼容而导致传输错误。
3. 功能特性：它定义了某条线上出现的电平电压的意义，以及每条线的功能。例如，某一电平可能代表逻辑高或逻辑低，或者表示不同的控制信号。功能特性帮助通信双方理解和解释在物理介质上传输的信号。
4. 过程特性：又叫规程特性，描述了不同功能的各种可能事件的出现顺序。它确保了在通信过程中，信号的发送、接收和处理都是按照预定的顺序进行的，从而避免冲突和混乱。

三、物理层设备

在网络通信的物理层中，中继器和集线器是两个常见的设备，它们在不同的网络场景中扮演着关键角色，帮助信号在网络中有效传输。

（一）中继器

中继器的主要功能是整形、放大并转发信号，以消除信号经过长距离传输后产生的失真和衰减。通过信号再生而不是简单放大，中继器能够恢复信号的波形和强度，从而扩大网络的传输距离。

• 工作原理：中继器有两个端口，信号从一个端口输入，经过整形和放大后，从另一个端口输出。中继器只作用于信号的电气部分，不关心数据内容是否正确或是否适合网段。

• 应用场景：中继器是用于扩大网络规模的简单廉价的互连设备。它连接的网段仍属于同一个局域网，并不会划分广播域或冲突域。

• 限制：中继器不能连接不同速率的局域网，因为它没有存储转发功能。理论上，中继器的使用数量是无限的，但实际上受到网络标准的限制。例如，10BASE5以太网规范中，中继器的数量不能超过4个，否则会导致网络故障。

• 与放大器的区别：放大器放大的是模拟信号，而中继器放大的是数字信号。放大器仅仅是增强衰减的信号，而中继器通过再生信号，使其恢复到原始的状态。

（二）集线器 (Hub)

集线器实质上是一个多端口的中继器，它在网络中起到信号放大和转发的作用，帮助扩大网络的传输范围。

• 工作方式：当集线器接收到一个端口的信号时，它会将信号整形放大，然后转发到其他所有工作状态的端口。如果多个端口同时输入信号，集线器会发生冲突，使得这些数据都无效。

• 网络结构：集线器将所有节点的通信集中在以其为中心的节点上，形成一个共享式网络。但逻辑上，这样的网络仍然是一个总线网。集线器只能在半双工状态下工作，这意味着它无法同时发送和接收数据。

• 冲突域和广播域：集线器的所有端口都属于同一个冲突域。由于在一个时钟周期内，集线器只能传输一组信息，因此当连接的设备较多且同时通信时，集线器的工作效率会大大降低。例如，带宽为10Mbps的集线器连接8台计算机时，每台计算机实际可用的带宽只有1.25Mbps。