物理层

• 1: 通信概念
• 2: 编码和调制
• 3: 交换方式
• 4: 物理层设备

# 物理层

## 通信基础

- 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
- 奈奎斯特定理和香农定理
- 编码和调制
- 电路交换、报文交换与分组交换
- 数据报和虚电路

## 传输介质

- 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
- 物理层接口的特性

## 物理层设备

- 中继器
- 集线器

1 - 通信概念

通信指标

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。

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

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 4bit 数据，那么比特率 = 4 倍的波特率。

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 = $10^3$）、Mb/s（M = $10^6$）或 Gb/s（G = $10^9$）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 $Mn$ bit/s

带宽

带宽（Bandwitdh）本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（Hz）。而在计算机网络中，带宽表示 网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，单位是比特/秒（b/s）。

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。

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

$$\text{时延带宽积}＝\text{传播时延} \times \text{信道带宽}$$

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。

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理说明了在 理想低通（没有噪声、带宽有限） 的信道中的数据极限传输速率，当传输速率小于等于该速率时，不会产生码间串扰。

奈奎斯特定理的核心思想是，为了正确地重构一个连续信号，需要以足够高的采样率对该信号进行采样。具体来说，奈奎斯特定理提供了以下关键观点：

1. 最低采样率：奈奎斯特定理规定，为了准确地采样和重构一个连续信号，采样率必须至少是信号中最高频率成分的两倍（或更高）。这就意味着，如果信号的最高频率成分是 f，则采样率应该至少为 2f。
2. 奈奎斯特频率：最高频率成分的一半，也称为奈奎斯特频率，是一个重要的参考点。信号的频率成分高于奈奎斯特频率的部分将无法正确地重构，导致混叠（aliasing）效应，损害信号质量。
3. 混叠效应：如果采样率低于奈奎斯特频率的两倍，那么高于奈奎斯特频率的信号成分将在采样后出现混叠，即被误识别为低于奈奎斯特频率的信号成分，从而导致信息丢失和失真。

若 $W$ 是理想低通信道的带宽，则极限波特率为 $2W$ （单位为 baud/s），若用 $V$表示每个码元离散电平的数据（$V$ 种不同的电平可以最多表示 $log_2{V}$ 个比特），则极限传输率为 $2W \cdot log_2{V}$ （单位为 b/s）

香农定理

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。

香农用一个公式精确地描述了信道极限传输速率：

$$C = B * log_2(1 + \frac{S}{N})$$

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。
• $\frac{S}{N}$ 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 ($\frac{S}{N}$) 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。

2 - 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。

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：

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)

3 - 交换方式

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：

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。

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。

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。

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。

传输时间计算

电路交换 的传输时间包含 连接建立 和 数据传输的时间：

1. 建立时间：在进行数据传输之前，需要建立一个专用的电路连接，这个过程会产生一定的延迟。设立连接时间为 $T_{\text{setup}}$。

2. 传输时间：一旦电路建立，数据传输时间主要取决于数据量和带宽。传输时间 $T_{\text{transmission}}$ 可以用公式表示为：

   $$ T_{\text{transmission}} = \frac{\text{数据大小}}{\text{带宽}} $$

3. 总传输时间：总传输时间包括建立时间和传输时间：

   $$ T_{\text{total}} = T_{\text{setup}} + T_{\text{transmission}} $$

报文交换 和 分组交换 的场景更加复杂一些，我们需考虑多种时延 以及 不同链路之间的带宽差异。 但是两者的思路类似，不同点在于报文和分组的大小不同，这里以分组交换来进行说明。

下面举一个比较全面的例子来说明一下，网络中有 A、B、C、D 四个结点，其中链路的带宽分别为 $B_1$、$B_2$、$B_3$。 在从结点 A 发送分组至结点 D 的过程中，总时间主要包含三种时延：传播时延、传输时间 和 排队时间。

首先，假设信号传播速度为 $\text{speed}$，A 到 D 之间的距离为 $L$，则：

$$\text{传播时延} = \frac{L}{\text{speed}}$$

假设每个分组的大小为 $P$，则 A → B 的传输时间为 $P / B_1$，B → C 的传输时间为 $P / B_2$，C → D 的传输时间为 $P / B_3$。由下图可知，不同链路间的分组传输存在流水线的 overlap 现象，A 向 B 发送完第一个分组后即可发送第二个分组。 在这种情况下，如果 A 向 D 传输 $k$ 个分组的话，则总传输时间受限于带宽最低的链路，若 $B_1$ 为链路最低的带宽的话，则：

$$\text{总传输时间} = \frac{k \times P}{B_1} + \frac{P}{B_2} + \frac{P}{B_3}$$

上述公式是一种特殊的情况，如果 $B_{i} < B_{j} < B_{k} < \cdots$ 的话，则

$$\text{总传输时间} = \frac{k \times P}{B_i} + \frac{P}{B_j} + \frac{P}{B_k} + \cdots \text{（一般情况）}$$

一般排队时间在试题中都不需要考虑，所以总时间为传输时间和传播时延之和：

$$\text{总时间} = \frac{L}{\text{speed}} + \frac{k \times P}{B_1} + \frac{P}{B_2} + \frac{P}{B_3}$$

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：

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。

4 - 物理层设备

集线器

定义：集线器（Hub）是一个简单的物理层设备，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。

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。

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，用于连接计算机或其他设备到一个网络。

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。

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、远距离的数据通信。