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物理层

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

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
空气(无线传输电磁波) 非导引 模拟信号、数字信号
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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