计算机网络——物理层笔记

物理层 Physical Layer

物理层的位置和功能

位置：在协议模型中最低的层次栈
功能：定义了比特(bits)作为信号在信道上传输时相关的电气、时序和其他接口
Function

• Bit-signal transformation. 将01比特流变为电信号
• Bit synchronization. 比特同步，收发双方步调一致
• Circuit switching. 电路交换
• Bit-rate control. 比特率的控制
• Multiplexing. 多路复用

数据通信的基本概念

数据通信基本模型

• 不同信号所占频段可能不同，但都要在公共的基础设施（通信子网）中传输。
• 终端设备传出的信号可能不适用于公网，为了使源端的信号成功传输，所以有一个发送设备来对信号进行加工。将比特流转换为模拟信号

基本概念

• 信道(Channel)：传输信息的介质
• 带宽(Bandwidth)：传输过程中振幅不会明显减弱的频率宽度（任何信号经过信道时都会有能量衰减，直接体现在振幅上。）

适合电话线传输的信号频率范围：300Hz~3400Hz
3400-300=3100Hz 作为电话线的带宽（最高频-最低频）

• 模拟信号带宽单位：Hz（赫兹）
• 数字信号带宽单位：bps（比特每秒）
• 低通信道和带通信道（Low-pass and Band-pass）
  

	低通信道	带通信道
	通信范围从0Hz开始	通信范围从中间频率开始（非0Hz开始）

• 比特率与波特率(Bit Rate and Baud Rate)

	比特率 Bit Rate	波特率 Baud Rate
	每秒传输的比特数	每秒传输的信号单元数

两者可互相转化$Bit\ Rate=Baud\ rate \times{log_2V}$V为信号的有效状态数

• 信道容量(Channel Capacity): 信道的最大数据率
• 吞吐量(Throughput): 网络容量的入量，表示单位时间内网络可以成功传送的数据位数(bps)
• 负载(Load): 单位时间内注入网络的数据位数(bps)
• 传播速度(Propagation Speed): 通信线路上，信号单位时间内传送的距离(米/秒)
• 误码率BER(Bit Error Rate): 信道传输可靠性指标$P=\frac{传输错的位数}{传输的总位数}$
• 时延(Delay): 从向网络中发送数据块的第一位开始，到最后一位数据被接受所经历的时间，由发送时延(Transmission Delay)、传播时延(Propagation Delay)、结点处理时延(Nodal Processing Delay)、排队时延组成(Queuing Delay)

发送时延	传播时延	结点处理时延	排队时延组成
设备发送一个数据块所需要的时间（数据块长度/信道带宽）	信号通过传输介质的时间	交换机/路由器检查数据、选路的时间	在交换机/路由器中排队所等待的时间

• 发送时延计算
  $R=链路带宽(bps)$，$L=数据长度(bits)$$Transmission\ Delay=\frac{L}{R}$
• 传播时延计算
  $d=物理链路长度$，$s=信号在介质上的传播速度$$Propagation\ Delay=\frac{d}{s}$
• 节点处理时延计算
  Check bit errors 检查比特是否有出错
  Determine output link 决定输出链路
• 排队时延
  Time waiting at output link for transmission 在输出链路排队等待输出的时间
  Depends on congestion level of router 与路由器的拥塞程度有关
• 单工，半双工，全双工（Simplex，Half-duplex，Full-duplex）

	单工	半双工	全双工
特点	仅单向传输	可以双向传输，但在某一时刻仅能单向传输	同一时刻可以双向传输
实例	FM无线电广播	对讲机	语音电话通信

• 串行传输和并行传输（Serial transmission and Parallel transmission）

	串行传输	并行传输
信道	仅需一条信道	需要多条信道
通信距离	远距离通信	近距离通信

• 异步传输与同步传输（Asynchronous Transmission and Synchronous Transmission）

	异步传输	同步传输
传输速率	慢，传输效率低	快，传输效率高
时钟	独立时钟，无需同步	以时钟信号线对传输的数据线上的信号进行比特同步
传输单位	以字符为单位进行传输	以数据块为单位传输
同步方式	接收方依靠字符的起始位和停止位来同步	无需同步

异步传输
同步传输

• 传输损伤（Transmission Impairment ）
  不同信号承受传输损伤的表现形式不一样

模拟信号	数字信号
信号质量劣化	误码

造成传输损伤的原因有：
信号衰减和失真（Attenuation and attenuation distortion）
时延失真（Delay distortion）
信道噪声（Noise）

数据通信理论基础

傅里叶变换(Fourier Transform)

任意周期性信号可以通过傅里叶变换转换为以下形式$g(t)=\frac{1}{2}c+\sum_{n=1}^\infty{a_n}sin(2\pi{nft})+\sum_{n=1}^\infty{b_n}cos(2\pi{nft})$$a_i和b_i是正余弦函数的振幅，c为常数$
信号变形的原因：由多种信号组成，每种信号的衰减程度和时延都不同
对于不同的频率，能量为$\sqrt{a_n^2+b_n^2}$频率为$Frequency=2\pi{nf}$
频率越高，振幅越小，能量越小

带宽(Bandwidth)

• 所有传输在传输的过程中都会损失一些能量

• 不同频率成分的正余弦波，在传输过程中损耗都不同

• 能量损耗在50%以内的频段即为信道的带宽
  Telephone wire’s bandwidth: 1MHz
  UTP 5: 100MHz

• 传输介质的物理性质，取决于传输介质的构造、厚度、长度、工艺

• 带宽单位：Hz，bps

无噪声信道容量（Capacity for Noiseless Channel）

• 奈奎斯特公式（采样定理）$Bit\ rate=2\times{Bandwidth}\times{log_2V}$V为信号的有效状态数
• $采样次数为n\Longleftrightarrow{波特率为n}$
• 对于确定带宽的信道，增加信号的级数就可以提高信道的传输速率（采样定理）
• 信号振幅范围确定的条件下，级数越多，信号单元的电压差就越小
• 有噪声信道中，信号单元多，造成的影响更大，误码的可能性更大，所以有噪信道的最大传输速率与信道带宽和信道质量有关

有噪信道容量（Capacity for Noisy Channel）

• 容量计算：香农公式（Shannon Capacity）$Capacity=Bandwidth\times{log_2(1+\frac{signal\ power}{nosie\ power})}$
• 香农公式确定了有噪信道容量理论最大值
• 通常用分贝(Decibels dB)来表示信噪比，但两者之间有换算关系$\frac{S}{N}_{dB}=10log_{10}{\frac{S}{N}}$

引导性传输介质（Guider Transmission Media）

不同传输介质的特性不同，体现在：
带宽、传播时延、最大传输距离、抗干扰能力、安全性、安装和维护的难易程度、成本等

磁介质（Magnetic Media）

容量较大，在部分情境下带宽不低（例如飞机拉磁带）

双绞线（Twisted Pair）、同轴电缆（Coaxial Cable）和光纤（Fiber Cables）

	双绞线	同轴电缆	光纤
材料	由两根彼此绝缘的铜导线绞合构成	由内而外：铜芯，绝缘材料，金属导体网，塑料覆盖层	由内而外：玻璃芯，玻璃包裹层，塑料层
原理	螺旋状，导线产生的磁场互相抵消，降低辐射	和双绞线类似，但抗噪能力更强	全反射
分类	屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线	细缆和粗缆	单模光纤和多模光纤

双绞线
其带宽取决于

• 导线直径，铜芯纯度（纯度高，带宽越宽）
• 传输距离（越短，贷款约宽）
• 道线之间绞合的紧密程度（越密，带宽越宽）

无屏蔽双绞线 UTP	屏蔽双绞线 STP（加入金属包裹层）
性能差	性能好

同轴电缆

50欧姆电缆（细缆）	75欧姆电缆（粗缆）
初始以太网	有线电视网

光纤

优点：带宽高、质量轻、安全性好

多模光纤 Multimode	单模光纤 Signle-mode
多个入射角	一个入射角（性能更好）

无线传输

特点：

• 相比有线，误码率高
• 传播时延长
• 传播方向（全向天线与定向天线）
• 安全性差
• 具有定位能力

无线电的传播

沿地面传播	被电离层反射	沿视距传播，不能穿越障碍物，不受电离层影响
VLF,LF,MF波段	HF波段	VHF波段及以上

	微波传输	红外传输	光传输
特点	近乎直线传播，每80Km要有中继器，信号衰减	具有方向性，成本低，不能穿过固体物体	非常窄的光束，天气会影响传输
应用	应用于光纤出现前的长途电话系统	短程通信

通信卫星

• 通信卫星作为天空中的一个大型微波中继器，包含多个天线（antenna）和多个转发器（transponder）
• 转发器：监听频谱中某一部分，放大入境信号，在另一个频率上将放大后的信号重新广播出去（下行波束 Downward Beams）

通信卫星种类及其特性

	低轨卫星 LEO	中轨卫星 MEO	同步卫星 GEO
卫星高度(Km)	$(0,1000]$	$[5000,15000]$	$35000$
时延(ms)	1-7	35-85	270
覆盖全球所需的卫星数	50	10	3

数字调制与多路复用（Digital Modulation and Multiplexing）

信道编码技术

• 数字数据，数字信号
  
• 模拟数据，数字信号
  
• 数字数据，模拟信号
• 模拟数据，模拟信号（电话网）

基带传输（Baseband transmission）

• 带宽效率：
  带宽是有限资源，一个解决方法是增加信号级数
  采用NRZ编码时，至少需要$\frac{B}{2}$Hz的带宽才能获得$B$bps的比特率
  曼彻斯特编码效率为$50\%$
  信号级数不一定是2的幂次
• 时钟恢复
  接收方必须知道数据在哪里结束，下一个数据从何处开始
  解决方法：1.单独传送时钟信号（浪费资源）2.曼彻斯特编码/NRZI（不归零逆转编码）
• 平衡信号
  尽量使用正电压与负电压一样多的信号
  不使用直流信号（直流信号衰减严重，以及电容耦合等问题）
  AMI和曼切斯特码都是平衡信号，NRZ不一定是平衡信号
  
  NRZ 非归零编码
  AMI 双极性编码（光纤不支持）

同步性缺失（Loss of Synchronization）

上图可看出，接受方和发送方的时钟周期不一样长

曼彻斯特码（Manchester）

• 每个比特周期中间会发生一次转换
• 低到高代表1，高到低代表0
• 时钟和数据（NRZ和时钟信号做异或，得到曼彻斯特码）
  
  

调制（Modulation）

将信号放在给定的频段上叫做调制

• 信号起始频率不是0Hz
• 对于无线信道，传送超低频信号是不实际的
• 对于有线信道，不同信号可以放在同一个信道上
• 一个信道上可以传输多路信号，只要把他们调制到不同的频段
• 数字调制是将信号调制到通带信道的载波信号上
• 调制的方法：调幅、调频、调相
• 调制的装置：Modem 调制解调器
  
  （a）原始信号
  （b）Amplitude shift keying (ASK) 幅移键控
  （c）Frequency shift keying (FSK) 频移键控
  （d）Phase shift keying (PSK) 相移键控

复合调制技术（Combination of modulation techniques）

调制解调器可以使用复合的调制技术来处理数据，比如

• QPSK Quadrature Phase Shift Keying 正交相移键控
• QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交幅度调制
  
  相位：点与x正半轴之间的夹角个数
  振幅：点到原点的距离
  需要注意，同一种QAM有多种实现方式

复用技术（Multiplexing）

• 将不同频段的信号放在一条传输信道上传输的过程就叫复用
• 调制是复用的准备工作
• 复用技术分为：时分复用TDM，频分复用FDM，波分复用WDM，码分复用CDM
  频分复用
  
  时分复用
  
• 在一个通信信道中，信号表面上是同时作为子信道传输的，但实际上是在信道内轮流传输
• 时间域被分成若干个固定长度的周期性时隙，每个时隙对应一个子信道
  问题：可能引起资源浪费（同步时分复用，不需要地址位）

解决方法：统计时分复用（异步时分复用）STDM，时隙与用户无绑定关系，需要地址位

码分复用

• 扩频通信的一种形式
• 码分多址：每个基站可以在整个频谱上随时传输
• 利用编码理论分离多个同步传输
  例子：教室说话
  时分复用：轮流说
  频分复用：在不同的地方说
  码分复用：用不同的语言说
  

公用交换电话网

电话系统结构

（a）全连通网络 Fully-interconnected network
（b）中心交换网络 Centralized switch
（c）二级结构网络 Two-level hierarchy

• 长途呼叫的典型电路路由
  
• Local loops 本地环路
  连接到家庭或企业的模拟双绞线对，Modem，ADSL和光纤
  问题：衰减，延迟畸变，噪音
• Trunks 中继
  连接到交换局的数字光纤，数字信号 ，时分复用TDMA
• Switching offices 交换局
  端局 End office、汇接局 Tandem office、长途据 Toll office
  电话呼叫从一条中继线被接入到另一条中继线
  Tips：交换 电话系统中，交换机将电话用户线或数字系统的虚电路连接起来，以建立用户将之间的电话呼叫

PSTN中的数字与模拟传输

计算机-计算机呼叫中模拟传输和数字传输都使用，转换由调制解调器（Modem）和编码解码器（Codec）完成

• Codec 编码解码器 每秒8000个采样值，1个采样值=8 bits
  
  01比特流通过Modem转换为频率在300~3400Hz的模拟信号，通过PSTN网络传输，到达后再用Modem还原为01比特流数字信号

模拟信号数字化

• 设备：Codec 编码解码器
• 过程：
  （1）采样：根据奈奎斯特定理，采样频率必须至少是模拟信号最高频率的2倍，工程中一般为2~5倍
  （2）量化：把信号强度分成线性或对数级编码，两种算法：A率算法（中国和欧洲），$\mu$率算法（北美和日本）
  （3）编码

数字用户线 DSL Digital Subcriber Lines

DSL所使用的3类UTP的带宽与距离的关系

在较短距离提供高带宽
随着距离增加，带宽急剧下降

xDSL服务

xDSL服务的目标

• 需要基于现有的本地环路的3类双绞线之上
• 不能影响客户原有的电话和传真业务
• 服务传输速率需要高于56kbps
• 服务应该总是可用的，按月租方式收费而不是按每分钟计费
  ADSL: Asymmetric DSL 非对称数字用户线
  ADSL接入
  
  Discrete Multitone Modulation 离散多音调制
• 将1.1MHz划分为256个子信道，每个约4kHz
• 0号频道留给电话线
• 1-5号保留不用，防止语音信号和数据信号彼此之间干扰
• 250条信道：
  1条上行控制，1条下行控制，248条数据

ADSL调制方案

每秒采样4000波特，利用QAM技术（正交幅度调制）
最高能达到每信号单元对应15比特

一种典型的ADSL设备配置

DSLAM 数字用户线接入复用器
功能：调制解调（类似ADSL Modem），复用功能

电路交换和分组交换（Circuit Switching vs. Packet Switching）

	电路交换	分组交换	报文交换
原理	物理上把电路连接起来	存储-转发	存储-转发，占用缓冲区
分配资源方式	资源预先分配，资源独占，面向连接	动态分配资源	动态分配资源
传输过程	电路建立，数据传输，电路释放	每个分组（比特序列 Bit-sequences）独立传输选路	每个分组（报文 Message）独立选路
优点	延迟小，质量高。交换机控制简单	线路利用率高，信道资源共享可以进行速率适配；排队制	不存在连接建立时延；线路利用率高
缺点	需要建立连接（耗时）。固定带宽，对于需要动态变化带宽的服务不适用。资源浪费（静默的信道）	复杂的网络结构；时延高(排队时延)；没有QoS质量的保证	缓冲区要求高；转发时延高；实时性差

时延分析