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物理层

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一、物理层

物理层的目标是确保在计算机网络中繁多的硬件设备、传输媒体和通信手段上能够正确传输数据比特流，并且对数据链路层屏蔽具体的“硬件设备、传输媒体和通信手段”细节。

基于上述目标，物理层的任务有：

  1. 确定与传输媒体接口有关的一些特性：
    • 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，平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定
    • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围，阻抗匹配，传输速率，距离限制等
    • 功能特性：指明某条线上出现的某一个电平的电压的意义
    • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
  2. 数据在计算机内部多采用并行传输方式，而在通信线路上用串行方式，物理层需要负责传输方式的转换
  3. …

物理层协议设计完成物理层任务，达成物理层目标。因应“繁多的硬件设备、传输媒体、通信手段，且物理连接方式分为点对点和广播等”，物理层协议众多。

学习物理层协议，重点在于基本概念，避免陷入细节地狱（比如“物理层是否关注信号复用”，“物理层是否关注‘单向通信/双向交替通信/双向同时通信’通信工作方式”等），我们应把主要精力放在数据链路层、网络层、传输层和应用层。

二、信号学简单介绍

本节对信号学进行简单介绍，详细介绍可参看通信学、信号学相关书籍。

凡是能承载信息的客体都能作为信号，比如：

  • 红绿灯
  • 信号枪
  • 手电筒三短、三长、三短
  • 灯光的明暗
  • 口令
  • 电磁波（光也属于电磁波）

本文讨论电磁波信号，电磁波波谱如下图所示。

2.1、信号

信号可分为两类：模拟信号（连续信号）和数字信号（离散信号）。

两类信号的优缺点如下表。

信号 优点 缺点
模拟信号 1)直观
2)技术易实现		 1)保密性差
2)抗噪声干扰能力弱，故只适合短距离传输
数字信号 1)保密性好
2)抗噪声干扰能力强，故适合长距离传输		 1)不直观
2)技术不易实现

结论：综合来看，数字信号优于模拟信号，现实世界正在进行越来越多的“模拟信号通信 -> 数字信号通信”改造。

2.2、传输媒体

传输媒体 属于导引/非导引 支持的信号形式 抗干扰性 衰减性 经济成本
双绞线 导引 模拟信号、数字信号 次次高 次次高 次次高
同轴电缆 导引 模拟信号、数字信号 次高 次高 次高
光纤 导引 模拟信号、数字信号 高 高 高
空气（无线传输电磁波） 非导引 模拟信号、数字信号 差 差 低
二级管电缆（虚拟） 导引 数字信号 / / /

备注：

  • 双绞线，同轴电缆，光纤都有不同规格，抗干扰性、衰减性和经济成本等维度的比较基于一般情况
  • 当前数字信号传输的常用方案：远距离用光纤，中距离用同轴电缆，近距离用双绞线或者空气（比如“5G”，“Wifi”）

2.3、信号承载信息

通过编码，信号（包括“模拟信号”和“数字信号”）可以承载信息。

在继续介绍之前首先介绍带宽的含义：

  • 原义：带宽原指频率范围，单位为赫兹（Hz）。以带宽（频率）区分后述扩展义
  • 扩展义：后由于带宽跟数据速率的紧密关系，被借用表示数据速率，单位为比特/秒（“bit/s”，简写为“b/s”或者“bps”）。须知Kbps，Mbps，Gbps中的K，M，G分别表示10^3，10^6，10^9，而不是2^10，2^20，2^30。以带宽（速率）区分上述原义

香农定理描述了特定传输媒体上的不失真信息传输速率理论极限值C，具体有公式C = B * log2(1 + S/N)。
其中：

  • C是极限的不失真信息传输速率，即理论极限不失真带宽（速率），单位为“比特/秒（bps）”
    -B是信道带宽（频率），单位为“赫兹（Hz）”
  • S是平均信号功率，N是平均噪声功率，S/N是信噪比

根据以上定理，假定实际不失真信息传输速率为F，即实际不失真带宽（速率），那么我们可以不断追寻合适的编码方案以期将F不断逼近C，虽然实际不可能达到，因为传输过程中信号还要受到其他一些损伤，比如“各种脉冲干扰”。

2.4、信道

信道是一个逻辑概念，有狭义和广义之分：

  • 狭义：跟数据传输方向有关，同一条逻辑通路相反的两个数据传输方向有两条信道
  • 广义：跟数据传输方向无关，同一条逻辑通路相反的两个数据传输方向只有一条信道

本博文使用广义概念。

一条传输媒体通道可以复用成N（N>=1）个信道：

  • N=1，信道最大带宽（速率）= 传输媒体最大带宽（速率）
  • N>1，所有信道的最大带宽（速率）和 = 传输媒体最大带宽（速率）

常见的复用技术有：

  • 频分复用：Frequency Division Multiplexing(FDM)，一个信道固定使用分配到的频带，在通信过程中始终占用这个频带
  • 时分复用：Time Division Multiplexing(TDM)，一个信道固定使用分配到的时间片，在通信过程中始终占用这个时间片
  • 码分复用：Code Division Multiplexing(CDM)，不同信道固定使用不同的码片序列，不同信道使用的码片序列互相正交。相较于“频分复用”和“时分复用”，码分复用方案可获得相对较高的传输媒体最大平均实际带宽（速率），因为占据所有时间片和在任意时刻可以利用所有频带资源，代价是较高的技术落地难度和较大的资源消耗
  • 波分复用：Wavelength Division Multiplexing(WDM)，即光的频分复用
  • 统计时分复用：Static TDM(STDM)，即改进的时分复用。称一般时分复用为同步时分复用，统计时分复用为异步时分复用

2.5、信号同步

要想正确实现信号的传输，可能还需要信号发送端和接收端双方的时钟同步，是否需要时钟同步跟“编码方案”，“复用技术”等因素有关。
比如：

  • 采用时分复用需要信号发送端和接收端双方的时钟同步
  • 非采用时分复用前提下使用差分曼彻斯特编码，具备自同步能力
  • CDMA需要同步

当下流行的时钟同步方案标准为SDH/SONET。

关于是否需要时钟同步和时钟同步方案内容，笔者未作深入了解。

三、通信过程总结

3.1、通信过程

单次通信过程：发送信号 -> 调制（光猫，ADSL猫等） -> 信道 -> 解调（光猫，ADSL猫等） -> 接收信号。

需要说明的是：

  1. 调制和解调的含义是广义的：
    • 调制：对信号进行变换的过程统称为调制，包括“数字信号 -> 模拟信号”，“模拟信号 -> 数字信号”，“低频信号 -> 高频信号”，“高频信号 -> 低频信号”等
    • 解调：对应的调制过程的逆过程
  2. 以上信道所指代的信号传输过程中可能包括多个调制/解调过程

3.2、通信工作方式

通信工作方式有3种：

  • 双向同时通信：通信的双方可以同时发送和接收消息
  • 双向交替通信：通信的双方都可以发送或者接收消息，但不能双方同时发送，当然也不能同时接收
  • 单向通信：单方向通信

参考文献

[1]《网络原理概述》
[2]https://github.com/jolesen/BOOKS/blob/master/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C%EF%BC%88%E7%AC%AC7%E7%89%88%EF%BC%89-%E8%B0%A2%E5%B8%8C%E4%BB%81.pdf
[3]https://blog.csdn.net/Hedon954/article/details/119361409

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