专业课总复习-计网-Chap.2

计算机网络 Computer Network
Study Notes 计算机专业课总复习篇
发布日期:   2025-04-12
更新日期:   2025-04-13
文章字数:   3.6k

计算机网络 Chap.2 物理层

本系列计算机网络博文基于Bilibili王道的免费考研课程整理而来, 目的在于系统的梳理计算机专业课的基础知识, 并为将来的面试做好充分的准备.

除本系列外, 计算机考研相关还包括数据结构 / 操作系统 / 计算机组成原理的相关内容.

开篇明义, 物理层的主要目的: 实现相邻节点之间比特(0 / 1)的传输 .

2.1 通信基础概述

2.1.1 通信基础的基本概念

物理层涉及到跟硬件打打交道, 因此 通信基础 这门学科的一些名词, 我们需要了解一下.

概念: 信源, 信宿, 信号, 信道
信源 : 信号的来源, 即数据发送方
信宿 : 信号的归宿, 即数据接收方
信道 : 信号发送经过的通道, 通常一条物理线路会包含两条信道, 即 发送信道 和 接收信道 .
信号 : 数据的载体, 分 数字信号 和 模拟信号 两种, 前者的值是离散的, 后者的值是连续的.

数字信号 Vs 模拟信号

不论是数字信号还是模拟信号, 其目的都在于传输信息对吧, 因此要引出一个非常重要的概念, 码元 .

概念: 码元
一个 信号周期 内, 可能出现的 信号状态 .

信号周期 也被称为 码元宽度 .

事实上, 一个信号的码元越多, 代表它能够在单位时间内传输的数据量越多.

举个例子:

例子: 2码元 Vs 4码元
前者只能在一个信号周期内表示一个二进制位 (0 / 1)
后者则可以表示两个 (00 / 01 / 10 / 11)

但提高码元种类的代价就是信号功率 / 信道本身素质要达标.

相应的, 我们对码元的总量有一个称呼, 叫 k进制码元 .

2进制码元能表示一个二进制位;
4进制能表示2个;
8进制能表示3个;
…

总结一下:

$$ k进制码元 \to log_2k \space bit数据 $$

有了码元, 描述信道传输速率的单位就有两种了:

  • 波特率(Baud) : 每秒几个码元
  • 比特率(bit/s) : 每秒几个比特

这三者属于知2求1的关系, 就不详细展开了.

2.1.2 信道的极限容量

了解了以上概念之后, 我们该寻思一下 信道 这个玩意了. 我们在第一章的时候提到了一个概念叫 带宽(bandwidth) . 它指某个信道所能传送的最高数据率.

当时我们还提了一嘴, 说带宽有两个单位, 一个是 bit/s , 另一个是 Hz .

在本节中, 我们会通过 香农定理 和 奈奎斯特定理 来解释这俩单位的内在关联.

首先, 我们得引出一个概念: 噪声 .

概念: 噪声
指对信道产生干扰的信号.
噪声会影响信道的数据传输速率

而奈奎斯特定律给出了一个结论, 描述如下:

对于一个理想低通信道(没有噪声, 带宽为W的信道), 其极限波特率是2W波特(Baud).

注意: W的单位
这里的带宽W的单位为Hz.

根据这个定律, 结合我们此前所说的 k进制码元 , 可知, 对于一个k进制码元, 其在理想低通信道中的极限比特率为:

$$ 2W \times log_2k \space (bit/s) $$

那无噪声的说完了, 有噪声的呢? 这就是 香农定理 给出来的结论了. 其表述如下:

对于一个有噪声, 带宽为W的信道, 其极限比特率为 $ W \times log_2(1 + \frac{S}{N}) $ .

注意: 香农定理的研究对象
请务必注意, 香农定理和奈奎斯特定理不同, 它直接给出了 比特率(bit/s) .

哎? 这个 $ \frac{S}{N} $ 是个什么东西? 这玩意叫 信噪比 .

概念: 信噪比
$ \frac{S}{N} $ 即 $ \frac{Signal}{Noise} $ , 信号的功率比上噪声的功率.
信噪比越高, 噪声对数据传输的影响越小.

照这么来看, 信噪比应该只是个数才对, 但很遗憾, 这东西一般而言都是个天文数字, 因为信号的功率通常要比噪声的功率高太多了 . 那咋整呢?

哎, 有人研究出来这么个公式:

$$ 信噪比 = 10log_{10} \frac{S}{N} $$

并给它加了个单位 分贝(dB) .

注意: 香农定理中信噪比的转换
别混了, 香农定理里面信噪比是没有单位的那个记法!

2.1.3 编码和调制

之前我们聊的是信道本身, 现在我们要聊一下信道前后的东西, 它们分别叫做 变换器 和 反变换器 .

概念: 变换器 / 调制 / 编码
变换器 指的是用于将二进制数据转变为数字 / 模拟信号的器具.
二进制数据转换为数字信号被称为 编码 .
二进制数据转换为模拟信号被称为 调制 .

概念: 反变换器 / 解调 / 解码
反变换器 指的是用于将数字 / 模拟信号转变二进制数据的器具.
数字信号转换为二进制数据被称为 解码 .
模拟信号转换为二进制数据被称为 解调 .

趣闻
调制解调器的英文名为 Modem , 由于它的英文像中文的 “猫” , 另一端又连着 光纤 , 因此在日常中常用 光猫 这个名字来称呼它.

我们先从编解码开始, 了解一些常用的编码方式:

  • 不归零编码(NRZ / Non-Return-to-Zero) : 低0高1, 中不变. 即用 低电平表示二进制的0, 高电平表示二进制的1 , 且信号全程 不归零 .
    • 无自同步能力
    • 不浪费带宽
    • 抗干扰能力弱
  • 归零编码(RZ / Return-to-Zero) : 低0高1, 中归零. 即用 低电平表示二进制的0, 高电平表示二进制的1 , 但 信号周期的后半程总是要让信号归零 . 好处在于能使这个归零的行为作为信号双方的时钟.
    • 有自同步能力
    • 浪费带宽
    • 抗干扰能力弱
  • 反向非归零编码(NRZI / None-Return-to-Zero Inverted) : 跳0不跳1, 中不变. 即使用 当前信号周期相对于上一个信号周期的电平是否跳变 来决定当前的信号是0还是1, 跳为0, 不跳为1.
    • 可以增加冗余位来支持自同步
    • 浪费部分带宽
    • 抗干扰能力弱
  • 曼彻斯特编码 : 跳0反跳1, 看中间, 中必变. 即通过 当前信号周期中间的跳变方向 决定当前的信号是0还是1, 上跳为0, 下跳为1.
    • 有自同步能力
    • 浪费带宽
    • 抗干扰能力强
  • 差分曼彻斯特编码 : 跳0不跳1, 看起点, 中必变. 通过 当前信号周期起点的跳变方向 决定当前的信号是0还是1, 跳为0, 不跳为1.
    • 有自同步能力
    • 浪费带宽
    • 抗干扰能力强

编码类型详解

接下来是调制和解调, 我们先得明确一个概念, 叫 基带信号 .

概念: 基带信号
指的是来自信号源的数字信号, 需要经过调制后才能在信道上传输.

哎, 问题来了, 编码挺好听完善的, 干嘛非得用模拟信号呢?
事实上, 某些特殊环境下(如真空)是只能使用模拟信号的. 同时 模拟信号抗干扰能力显著强于数字信号 , 因此在长距离传输环境下也会优先将数字信号调制成模拟信号再传输.

好嘞, 我们开始捯饬几种常用的调制策略:

  • 调幅(AM): 即 调整振幅 的策略, 也叫 幅移键控(ASK)
    • 表示0: $ 0 * sin2x $
    • 表示1: $ 1 * sin2x $
  • 调频(FM): 即 调整频率 的策略, 也叫 频移键控(FSK)
    • 表示0: $ sinx $
    • 表示1: $ sin2x $
  • 调相(PM): 即 调整相位 的策略, 也叫 相移键控(PSK)
    • 表示0: $ sin(x+0) $
    • 表示1: $ sin(x+\pi) $

调制类型详解

注意: 调制中多个比特的表示法
相当于要调出多种码元对不对, 那针对上面的调幅, 调频, 调相, 只需要设计出更多的振幅, 频率, 相位, 就能使得一个码元携带多个比特位了.

相信各位已经有些大胆的想法了, 我能不能不仅仅调一个参数, 而是把多个参数混在一块调制?
嘿嘿, 当然可以.

  • 正交幅度调制(QAM): 同时结合了调幅和调相.
    • 若涉及m种振幅, n种相位, 则能够有 $ m * n $ 种不同的码元, 一个码元可以表示 $ log_2(m * n) $ 个比特位
    • 通常使用 $ QAM-k $ 的方式表示调制出的总信号数, 后方的k就是信号数的意思.
    • 常见的有 QAM-16, QAM-32, QAM-64, QAM-128 等等.

2.2 传输介质

这一节我们捯饬捯饬关于传输介质的玩意. 通常分两类:

  • 导向型 : 信号只能朝向固定方向传播, 如双绞线, 同轴电缆, 光纤等
  • 非导向型 : 信号朝四面八方传播, 通常都是无线通信的介质

2.2.1 非导向型传输介质

2.2.1.1 双绞线(TP / Twisted Pair)

双绞线 名如其意, 通常是由两根导线相互 绞合 而成. 根据屏蔽层的有无又可以划分为 屏蔽双绞线(STP / Shielded Twisted Pair) 和 非屏蔽双绞线(UTP / UnShielded Twisted Pair) 两种.

双绞线

注意: 绞合?
上面这个图并没有展现出 绞合 这一方法, 事实上, 绞合就相当于把两根绳子像拧麻花一样缠在一起. 目的在于提升抗噪声的能力.

双绞线提升传输速率的手段主要在于 抗噪声的设计 . 包括 提升绞合度 和 增加屏蔽层 等方式.

2.2.1.2 同轴电缆

同轴电缆 主要由 内导体(传输信号) 和 外导体屏蔽层(抗电磁干扰) 构成. 通常内导体使用铜线, 而铜线越粗, 电阻越低.

同轴电缆

2.2.1.3 光纤

光纤 主要由 纤芯 和 包层 组成. 它利用了 光的全反射特性 , 在纤芯内传输光脉冲信号. 目前最常用, 因为光脉冲信号对电磁干扰不敏感, 抗干扰性极强 , 同时 传输损耗也小 .

光纤

通常分为 单模光纤(SMF / Single-Mode Fiber) 和 多模光纤(MMF / Multi-Mode Fiber) .

  • 单模光纤
    • 纤芯非常细, 直径小于一个波长, 只能传输一条光线
    • 传输损耗低
    • 适合远距离传输
  • 多模光纤
    • 纤芯更粗, 可同时传输多条光线
    • 传输损耗较高
    • 适合短距离传输

单模光纤

多模光纤

三种介质说完了, 现在要明确在以太网中这三种介质的命名, 它们统一的格式为:

$$ 速度 \space Base \space 介质信息 $$

  • 速度: 通常是一个数字, 单位为 Mbps
  • Base: Baseband的缩写, 即传输数字信号.
  • 介质信息:
    • 一个单独的数字: 指同轴电缆, 数字是同轴电缆的 最远传输距离 , 单位一般是 百米
    • F开头: 指光纤, 后面可以继续接其他信息
    • T开头: 指双绞线, 后面可以继续接其他信息

2.2.2 无线传输介质

聊完有线的, 来聊聊无线的. 通常分三类:

  • 无线电波 :
    • 穿透能力强, 传输距离长
    • 信号指向性弱
    • 如手机信号 / Wifi
  • 微波通信 : 也叫 短波通信 , 波长较短
    • 频率带宽高, 信号指向性强
    • 保密性差
    • 如卫星通信

注意: 短波通信的原理?
$ C = \lambda * f $ , 即 光速 = 频率 * 波长 , 因此波长越短, 频率越高, 频率带宽也越高, 同样信号指向性就越强.

事实上, 信号指向性太强有时候不是个很好的事情, 中间万一有个啥玩意给你挡了, 长波还能稍微绕一下, 而短波就只能建中继站了…

2.2.3 接口特性

最后寻思一下在接口上有什么需要定义的:

  • 机械特性:
    • 接口所用接线器的形状, 尺寸, 引脚数目和排列…
  • 电气特性:
    • 各条线上的电压范围, 传输速率, 距离限制…
  • 功能特性:
    • 某条线上出现某一电平电压的意义
  • 过程特性:
    • 不同功能的可能的出现顺序

大致了解即可.

2.3 物理层设备

本节中将对物理层的设备进行简要的描述

2.3.1 中继器

由于信号的传输过程中有损耗, 因此每个在一个介质中的极限传输距离是由上限的. 这时, 要保证网络的覆盖面, 就需要 中继器 的参与, 其主要功能是负责信号的 整形与再生 .

  • 中继器只有两个端口, 一段负责接收失真信号, 另一端负责发送出整形再生的信号.
  • 仅支持半双工通信(能双向工作, 但 不能同时双向工作 )
  • 两个端口分别对应两个网段

2.3.2 集线器

集线器 本质上是多端口的中继器. 将其中一个端口接收到的信号进行整形再生, 并发送给其余所有端口.

  • 有N个端口, 对应N个网段
  • 各个网段属于同一个 冲突域 .
  • 意味着任何主机要发送信息都要先进行 信道争用 .

概念: 冲突域
如果两台主机同时发送数据会导致冲突, 则称这两台主机处于同一个 冲突域 内.

了解了这俩设备, 有些特性就很好理解了:

  • 集线器和中继器不能 无限串联
  • 集线器连接的网络, 虽然物理上是星形拓扑, 但 逻辑上依然是总线拓扑(不同网段上的计算机发送数据仍然会发生冲突)

拓扑结构-总线

  • 集线器连接的网段会 共享带宽

物理层的内容并不多, 主要是对一些涉及到硬件底层的规定作了阐述.

这篇博文就到这里~

文章作者: MUG-chen
文章链接: http://mug-chen.github.io/posts/27491.html
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