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物理层

物理层概念

物理层是OSI参考模型中的最底层，它负责在物理媒介上传输原始的比特流。物理层的主要功能包括：

  • 定义物理设备的标准
  • 规定物理接口的特性
  • 实现比特流的传输
  • 提供数据编码和调制

物理层的接口特性主要包括四个方面：

  1. 机械特性：指明接口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。
  2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
  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。
  4. 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

通信基础

相关概念

  • 信道（Channel）：表示向某一个方向传送信息的物理或逻辑媒体。它可以是双绞线、光纤、无线频段等，决定了信息传输的路径与介质特性。
  • 单向通信（Simplex）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，例如广播电视、传统寻呼机。发送端与接收端角色固定，无法互换。
  • 双向交替通信（Half-duplex）：通信的双方都可以发送信息，但不能在同一时刻同时发送，必须轮流“说”和“听”，如对讲机、早期集线器环境下的以太网。
  • 双向同时通信（Full-duplex）：通信的双方可以同时发送和接收信息，实现真正的“边说边听”，如现代以太网交换机端口、电话通话。
  • 信号（Signal）：携带信息的物理量，可以是连续变化的模拟信号（如传统电话线上的语音电流），也可以是离散的数字信号（如0/1电平脉冲）。
  • 带宽（Bandwidth）：在模拟领域指信号所占用的频带宽度，单位Hz；在数字领域常用来泛指链路的最大数据传输能力，单位bps。两者含义不同，但都与“数据通过能力”密切相关。
  • 码元（Symbol）：信号的最小单位，一个码元可以携带1位或多比特信息。例如，QPSK调制中一个码元携带2 bit，16-QAM中一个码元携带4 bit。
  • 波特（Baud）：码元传输的速率，每秒传输的码元数，单位Bd。注意：波特≠比特率；若一个码元携带n bit，则比特率 = 波特率 × n。
  • 速率（Data Rate / Bit Rate）：数据传输的速率，每秒传输的比特数，单位bps、kbps、Mbps等，是衡量链路性能的核心指标。
  • 信源（Source）：数据的发送端，负责将原始信息转换为适合信道传输的信号，例如计算机网卡、手机发射机。
  • 信宿（Sink）：数据的接收端，负责将接收到的信号还原为原始信息，例如计算机网卡、手机接收机。

香农定理及奈奎斯特定理

香农定理是信息论中的一个重要结果，它指出在一个有噪声的信道中，最大的数据传输速率为：

\[ R = W \log_2 (1 + S/N) \]

其中，R 是数据传输速率（bps），W 是信道带宽（Hz），S 是信号功率，N 是噪声功率。

奈奎斯特定理是指在一个无噪声的理想信道中，最大的数据传输速率为：

\[ R = 2W \log_2 M \]

其中，R 是数据传输速率（bps），W 是信道带宽（Hz），M 是信号状态数（调制阶数）。

编码和调制

编码和调制是物理层将数字数据转换为适合在物理媒体上传输的信号的关键技术。

编码技术（Encoding）

编码是将数字数据转换为数字信号的过程，常见的编码方式包括：

非归零编码（NRZ）

  • NRZ-L：电平高低直接表示0和1
  • NRZ-I：电平翻转表示1，不翻转表示0
  • 缺点：存在直流分量，长串0或1时同步困难

曼彻斯特编码（Manchester）

  • 每个比特周期中间都有跳变
  • 高→低表示1，低→高表示0
  • 优点：自带时钟信号，同步性好
  • 缺点：编码效率只有50%

差分曼彻斯特编码（Differential Manchester）

  • 比特周期中间必有跳变
  • 比特开始时有跳变表示0，无跳变表示1
  • 抗干扰能力更强

4B/5B编码

  • 将4位数据编码为5位码组
  • 避免长串0，保证足够的跳变
  • 用于100Mbps以太网和FDDI

调制技术（Modulation）

调制是将数字数据转换为模拟信号的过程，主要调制方式包括：

幅移键控（ASK）

  • 用载波幅度的变化表示数字信号
  • 1表示有载波，0表示无载波
  • 简单但抗干扰能力差

频移键控（FSK）

  • 用载波频率的变化表示数字信号
  • 不同频率表示0和1
  • 抗干扰能力比ASK强

相移键控（PSK）

  • 用载波相位的变化表示数字信号
  • BPSK：二相相移键控，0°表示0，180°表示1
  • QPSK：四相相移键控，每个码元携带2位信息
  • 抗干扰能力强，频带利用率高

正交幅度调制（QAM）

  • 同时改变载波的幅度和相位
  • 16-QAM：16种状态，每个码元携带4位信息
  • 64-QAM：64种状态，每个码元携带6位信息
  • 现代通信系统广泛采用

调制解调器（Modem）

调制解调器是实现调制和解调功能的设备：

  • 调制：将数字信号转换为模拟信号
  • 解调：将模拟信号转换回数字信号
  • 应用于电话线、有线电视等模拟信道传输数字数据

调制与编码的区别

编码是将数字数据转换为数字信号，调制是将数字数据转换为模拟信号。编码适用于数字信道，调制适用于模拟信道。

物理层下面的传输媒体

传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类：

导向型传输媒体

  1. 双绞线：
    • 直连双绞线：用于连接不同类型的设备（如计算机与交换机、计算机与路由器）。其线序为一端采用T568A标准，另一端采用T568B标准，保证发送端和接收端的信号能够正确对应。常用于局域网设备的常规连接。
    • 交叉双绞线：用于连接相同类型的设备（如计算机与计算机、交换机与交换机）。两端的线序均采用T568A或T568B标准，但部分线对进行交叉处理，使发送端和接收端的信号线互换。适用于没有自动识别端口（Auto MDI/MDIX）功能的设备之间的直连。

Tip

连接相同的pc使用交叉线，因为加粗线发射端的（RX）和接送端的（TX）相连，能够接受信号

  1. 同轴电缆：
    • 基带同轴电缆(50Ω)
    • 宽带同轴电缆(75Ω)
    • 抗干扰能力强，传输距离较远
  2. 光纤：
    • 多模光纤
    • 单模光纤
    • 传输速率高，抗电磁干扰，安全性高

非导向型传输媒体

  1. 无线电波：

    • 短波通信
    • 超短波通信
    • 微波通信

  2. 红外线：

    • 方向性强，不能穿透障碍物
    • 常用于短距离通信

  3. 可见光：

    • 激光通信
    • 传输速率高，但受天气影响大

物理层的设备

物理层设备主要用于信号的放大、整形和转发，以扩展网络的传输距离。

中继器（Repeater）

中继器是最简单的网络互联设备，工作在物理层，主要功能是对信号进行再生和放大。

主要特点：

  • 信号再生：接收衰减的信号，重新生成原始信号并发送
  • 扩展距离：可以延长网络的传输距离
  • 无过滤功能：对所有信号都进行转发，无法识别数据帧
  • 半双工通信：只能工作在半双工模式
  • 无冲突检测：不能检测或避免冲突

工作原理：

  1. 接收来自一个端口的电信号
  2. 对信号进行放大和整形
  3. 将再生后的信号发送到另一个端口

应用场景：

  • 扩展以太网的传输距离（最多4个中继器，5个网段）
  • 连接不同类型的传输媒体
  • 克服信号衰减问题

局限性：

  • 不能连接不同类型的网络
  • 不能隔离冲突域
  • 不能进行流量控制

集线器（Hub）

集线器是多端口的中继器，可以连接多个设备，构成星型拓扑结构。

主要类型：

被动式集线器

  • 只提供物理连接，不进行信号放大
  • 价格便宜但性能较差
  • 已基本被淘汰

主动式集线器

  • 具有信号放大和再生功能
  • 可以扩展网络距离
  • 目前主流的集线器类型

智能集线器

  • 具有网络管理功能
  • 可以监控网络状态
  • 支持远程配置和管理

主要特点：

  • 多端口：通常有4、8、16、24或48个端口
  • 广播方式：将接收到的信号广播到所有端口
  • 共享带宽：所有端口共享总带宽
  • 半双工通信：只能工作在半双工模式
  • 无过滤功能：无法识别MAC地址

工作原理：

  1. 从一个端口接收数据信号
  2. 对信号进行放大和整形
  3. 将信号广播到所有其他端口
  4. 不检查数据的内容和目的地址

网络拓扑：

  • 采用星型拓扑结构
  • 所有设备都连接到集线器
  • 中心节点是单点故障源

性能特点：

  • 带宽共享：所有端口共享总带宽
  • 冲突增加：随着设备增多，冲突概率增加
  • 距离限制：遵循以太网的距离限制规则

与交换机的区别：

  • 集线器工作在物理层，交换机工作在数据链路层
  • 集线器广播数据，交换机根据MAC地址转发
  • 集线器共享带宽，交换机提供专用带宽
  • 集线器无法隔离冲突域，交换机可以隔离冲突域

注意

现代网络中，集线器已基本被交换机取代，因为交换机在性能和功能上都有显著优势。

宽带接入技术

宽带接入技术是指用户接入互联网的高速接入技术。

ADSL技术

ADSL(非对称数字用户线)是一种利用普通电话线提供高速数据传输的技术：

  • 上行速率：通常为640kbps~1Mbps
  • 下行速率：通常为1Mbps~8Mbps
  • 特点：非对称传输，不影响电话使用

光纤同轴混合网(HFC)

HFC是在有线电视网基础上发展起来的宽带接入技术：

  • 使用光纤作为干线传输
  • 使用同轴电缆作为用户接入
  • 传输速率可达10Mbps以上

FTTx技术

FTTx(Fiber to the x)是指光纤到x的接入技术：

  1. FTTH(光纤到户)：光纤直接连接到用户家中
  2. FTTB(光纤到楼)：光纤连接到建筑物，再通过其他方式接入用户
  3. FTTC(光纤到路边)：光纤连接到路边，再通过铜线接入用户

无线接入技术

  1. WiFi：基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术
  2. 蓝牙：短距离无线通信技术
  3. 4G/5G：移动通信技术，提供高速无线接入

以太网接入

以太网接入是一种常见的宽带接入方式，特别是在校园网和企业网中：

  • 传输速率：10/100/1000Mbps
  • 传输距离：通常不超过100米
  • 优点：技术成熟，成本低廉