计算机网络第二章 物理层重点复习

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说明：

• 本复习笔记基于谢希仁的《计算机网络》第五版教材、《Computer Networks: A Top-Down Approach》以及补充笔记整理。
• 这是详细学习的笔记。
• 水平有限，希望能帮到大家，如果发现错误请联系我修改，谢谢。
• 最后的码分多址的计算请一定要仔细看完并且学会，那是这一章重点的重点。
• 由于物理层在很多学校都是作为最后一层来讲，多半来不及讲完，一般也不会有很多涉及考试的内容。所以这一层的复习笔记会比较简略。

2.1 物理层基本概念

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即:

（1）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，等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

（2）电气特性——指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3）功能特性——指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

（4）过程特性——指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

大家知道，数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑)，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

具体的物理层协议种类较多。这是因为物理连接的方式很多（例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接)，而传输媒体的种类也非常之多（如架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等)。

2.2 数据通信

如图2.2.1 所示，一个数据通信系统可划分为源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）三大部分。

图2.2.1 数据通信系统模型

源系统一般包括以下两个部分:

（1）源点(source)：源点设备产生要传输的数据，源点又称为源站，或信源。

（2）发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器)，用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分:

（1）接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

（2）终点(destination)：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来)。终点又称为目的站，或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

2.2.1 常用术语

通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息。

数据(data)是运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列（RFC 4949给出的定义）。这种信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。

信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类:

1. 模拟信号（连续信号）—代表消息的参数的取值是连续的。
2. 数字信号（离散信号）——代表消息的参数的取值是离散的。

码元是在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。（一个码元所携带的信息量是不固定的，而是由调制方式和编码方式决定的。）

2.2.2 信道

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式:

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。

双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。

带通信号：经过载波调制后的信号。

基带调制（编码coding）：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。

带通调制：使用载波（carrier）的调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导引型传输媒体

（1）双绞线（双纽线）：无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair简称UTP）。在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层（提高双绞线抗电磁干扰的能力）后称为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair简称STP）。

（2）同轴电缆：短距离时选择细缆，布线距离长时选择粗缆。

（3）光缆（光纤）：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤制造起来成本较高。

（4）架空明线：在电线杆上架设互相绝缘的明线，明线即铁线或铜线。

2.3.2 非导引型传输媒体

也就是无线通信时所用的传输介质，有微波（直线传播传播距离受限）、卫星通信（较大传播时延）。

2.4 信道复用技术

2.4.1 基本复用

（1）频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

（2）时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的时隙。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

（3）统计时分复用（Statistic TDM，STDM）：是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡的。

在输出线路上，一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计复用又称为异步时分复用。而普通的时分复用称为同步时分复用。

2.4.2 波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）：即光的频分复用。

密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）：当在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号时，称其为密集波分复用。

2.4.3 码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m 的值是64或128。在下面的原理性说明中，我们设m为8。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列（chip sequence）。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8 bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送。同时，为了方便计算，我们通常将码片中的0写为-1，1写为+1。

令向量S表示站S 的码片向量，再令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(inner product)都是0。

同时，任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的公式，再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系)，那么求内积得到的结果是:所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0)，而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1，当S站发送比特0时，内积的结果是-1。

最后

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