物理层 | ZaynPei's Base

通信基础

要理解物理层的工作原理，我们首先需要掌握一些通信领域的基础理论。

基本概念

数据：是我们想要传送的信息，是信息的载体。可以是数字的（如文本文件）或模拟的（如语音）。

信号：是数据在物理介质上的电气或电磁表现形式。信号是传输数据的方式。 - 数字信号 (Digital Signal)：信号的状态是离散、不连续的，例如只有高、低两种电平。 - 模拟信号 (Analog Signal)：信号的幅值是连续变化的，例如正弦波。

信道 (Channel): 信道是信号传输的物理路径。它可以是有形的（如双绞线、光纤）或无形的（如无线电波传播的空间）。

速率相关的概念:

码元 (Symbol)：在数字通信中，一个固定时长的、具有明确定义的波形（如某个电压、频率或相位）被称为一个码元。码元是承载信息的基本信号单位。
波特率 (Baud Rate)：也称为码元速率，指每秒钟传输的码元个数。单位是波特（Baud）。它描述的是信号变化的速率。
比特率 (Bit Rate)：也称为信息速率，指每秒钟传输的二进制比特（bit）数。单位是比特/秒（bit/s 或 bps）。它描述的是信息传输的速率。

需要注意, 一个码元可以携带多个比特的信息。如果一个码元有 V 种不同的状态（例如，4种不同的电压等级），那么每个码元就可以表示 log₂V 个比特。

从通信双方的信息交互方式来看, 可以有三种模式: - 单工 (Simplex): 通信是单向的，信息只能从发送方传输到接收方，接收方不能向发送方反馈信息。例如，电视广播就是单工通信。 - 半双工 (Half-Duplex): 通信是双向的，但在同一时间内只能有一方发送信息，另一方必须等待。例如，对讲机就是半双工通信。 - 全双工 (Full-Duplex): 通信是双向的，双方可以同时发送和接收信息。例如，电话就是全双工通信。

信道的极限容量

任何信道能够传输数据的速率都不是无限的，它受到物理规律的限制。有两个重要的理论描述了信道的极限容量。

奈奎斯特定理 (Nyquist’s Theorem)

奈氏准则研究的是一个理想的、无噪声的、带宽有限的信道

在信道中，发送过快的信号码元（代表数据的基本信号单元）会在时间上“展宽”，导致前后码元的波形发生重叠，相互“模糊”，使得接收端无法清晰地分辨出每一个码元。这种现象就是码间串扰。

奈氏准则的首要目标，就是确定为了避免码间串扰，码元发送速率的上限是多少

极限码元传输速率: 对于一个带宽为 W (单位为Hz) 的信道，其极限码元传输速率为 2W 波特 (Baud)。

码元速率上限 = 2W(Baud)

极限比特传输速率:

数据传输速率不仅取决于每秒能发多少个码元，还取决于每个码元能携带多少比特的信息。

如果一个码元有 V 种不同的离散状态（例如 4 种不同的电压等级），那么每个码元就可以表示 log₂V 个比特。

因此，理想信道的极限数据传输速率（比特率） C 为：

C = 2Wlog₂V (单位：b/s)

带宽是瓶颈：信道的带宽 W 直接限制了码元的发送速度。
提升速率靠编码: 在带宽 W 固定的情况下，要想提高数据传输速率 C，唯一的办法就是让每个码元携带更多的比特，即增加 V 的值。这需要更复杂的调制解调技术。
过于理想化: 奈氏准则是在一个没有噪声的完美世界里得出的。它告诉我们，只要技术足够好，理论上可以通过无限增加 V 来无限提升数据速率。但这在现实中是不可能的，因为噪声的存在会限制我们分辨不同码元状态的能力。

香农定理 (Shannon’s Theorem)

香农定理则将随机噪声这个现实因素考虑进来，给出了一个有噪声、带宽有限的信道的绝对极限数据传输速率。

这里有一个信噪比的概念：信噪比 (S/N - Signal-to-Noise Ratio) 是衡量信号与噪声相对强弱的关键指标。S/N 越高，信号越清晰，信道质量越好。

香农定理指出，对于一个带宽为 W，信噪比为 S/N 的信道，其极限数据传输速率C为：

$单位：$

注意：公式中的 S/N 是信号功率与噪声功率的比值，是一个无单位的数值。

在实际应用中，信噪比常以分贝 (dB) 为单位，换算关系为：

dB = 10log₁₀(S/N)

进行香农公式计算时，必须将 dB 单位的信噪比换算回无单位的 S/N 值。例如，信噪比为 30dB，意味着 10log₁₀(S/N) = 30，解得 S/N = 1000。

速率存在硬上限: 香农定理给出的 C 是一个理论上的极限值。无论采用多么先进的技术（无论奈氏准则中的 V 取多大），只要数据传输速率超过这个 C 值，就不可能实现无差错的传输。
提升速率靠“开源节流”: 要想提高极限数据速率 C，只有两种途径：
- 增加带宽 W (“开源”)。
- 提高信噪比 S/N (“节流”，即增大信号功率或降低噪声干扰)。
理论上的可能性: 香农定理也给出了一个积极的结论：只要信息传输速率低于信道极限 C，就一定存在某种先进的编码和调制技术，能够实现无差错的传输。

两者的比较

奈奎斯特定理和香农定理分别从不同的角度描述了信道的极限容量。前者假设无噪声，强调码元速率和编码复杂度；后者考虑噪声，强调带宽和信噪比。

在实际应用中, 我们需要综合考虑这两个方面, 假如按照已知条件计算发现奈奎斯特定理的极限比特率低于香农定理的极限比特率, 那么奈奎斯特定理的结果才是实际可达到的上限, 反之亦然(因为他们本身描述的极限条件不同)。

编码与调制

编码和调制是将原始的数字数据（比特流）转换为适合在信道中传输的信号的过程。

编码 (Encoding)：数字数据 -> 数字信号

目的：主要用于基带传输，即信号的频谱从零频附近开始。例如，以太网内部的传输。编码的主要目标是解决时钟同步、直流分量等问题。

常见编码方式：

不归零编码 (NRZ)：用高电平表示1，低电平表示0。实现简单，但如果出现连续的1或0，会导致接收方时钟漂移，难以同步。

曼彻斯特编码 (Manchester Encoding)：将每个比特周期分为两半，从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0（反之亦可）。这种编码自带时钟信号，解决了同步问题，但它需要的带宽是NRZ的两倍。

差分曼彻斯特编码：位中间的跳变只用于同步，而位开始处的跳变与否用于表示0或1。

调制 (Modulation)：数字数据 -> 模拟信号

目的：主要用于通带传输(Carrier)，即信号需要被搬移到较高的频率范围进行传输。例如，Wi-Fi、无线电广播和电话线上的调制解调器（Modem）。

而基带传输则是直接在低频段（从0Hz开始）传输数字信号。

基本调制技术：通过修改载波信号的属性来表示数字数据。

幅移键控 (ASK - Amplitude Shift Keying)：用载波的不同振幅来表示0和1。
频移键控 (FSK - Frequency Shift Keying)：用载波的不同频率来表示0和1。
相移键控 (PSK - Phase Shift Keying)：用载波的不同相位来表示0和1。

混合调制技术：主要是正交幅度调制QAM

正交幅度调制 (QAM - Quadrature Amplitude Modulation)：这是一种更高级的调制技术，它同时结合了幅移键控 (ASK) 和相移键控 (PSK)。通过组合多个振幅和多个相位，可以使一个码元代表更多的比特（即增大奈奎斯特定理中的 V 值），从而在有限的带宽内实现极高的数据传输速率。例如，16-QAM 使用16种不同的组合状态，每个码元可以传输 log₂₁₆ = 4 个比特。

此时, 该 QAM 的数据传输速率 R 为 R = W log₂(mn) (单位为 b/s)，其中 W 是带宽，m 是振幅状态数，n 是相位状态数, mn 就是总的状态数(QAM-X中的X)。

这其实就是符号率与比特率的关系, 比特是信息的基本单位, 而符号(码元)是信号的基本单位, 当调制方式增加每个符号携带的信息量，符号率不变而比特率增加: R_bit = R_symbol × 每个符号承载的比特数

传输介质

传输介质，也称为传输媒体或信道，是网络中发送方和接收方之间的物理路径。它决定了网络通信的带宽、距离、成本和可靠性。传输介质可以分为两大类：导向型传输介质和非导向型传输介质。

导向型与非导向型传输介质

在导向型传输介质中，电磁波被限制并沿着一个固态的物理媒介（如金属线或玻璃纤维）传播。

双绞线 (Twisted Pair): 由两根相互绝缘的铜导线，按一定规则绞合而成。将导线绞合是其最重要的特性。这样做的目的是为了尽可能减少来自外界的电磁干扰（EMI）以及相邻线对之间的串扰（Crosstalk）。两根导线中的电流方向相反，它们产生的磁场可以相互抵消，从而增强了信号的抗干扰能力。 - 非屏蔽双绞线 (UTP - Unshielded Twisted Pair)：无金属屏蔽层，是目前局域网（LAN）中最常见的传输介质 - 屏蔽双绞线 (STP - Shielded Twisted Pair)：在线对外部包裹有金属屏蔽层，抗干扰能力更强，但成本更高，安装也更复杂。

同轴电缆 (Coaxial Cable): 由内到外依次是：中心铜质导体、塑料绝缘层、网状编织的金属屏蔽层和外部保护胶皮曾广泛用于有线电视（CATV）和早期的以太网（如10BASE-5），但现在在局域网中已基本被双绞线取代。

光纤 (Optical Fiber): 由一个非常细的玻璃或塑料纤芯 (Core) 和一层折射率较低的玻璃包层 (Cladding) 组成。它传输的不是电信号，而是光脉冲。光信号在纤芯中以全内反射 (Total Internal Reflection) 的方式向前传播。 - 多模光纤 (Multi-mode Fiber)：纤芯较粗，允许多束不同角度的光线同时传播。成本较低，适用于短距离通信（如建筑物内部）。 - 单模光纤 (Single-mode Fiber)：纤芯极细，只允许一束光线沿直线传播。成本高，但衰减小、带宽高，适用于长距离、大容量的通信（如跨洋海底光缆）。

非导向型传输介质就是我们常说的无线传输，它不限制电磁波的传播方向，信号在自由空间中传播。

无线电波 (Radio Waves)：具有很强的穿透能力，可向所有方向传播。适用于移动通信、调频广播、Wi-Fi和蓝牙等。

微波 (Microwaves)：沿直线传播，频率比无线电波高。主要用于地面点对点通信（如手机基站之间）和卫星通信。

红外线 (Infrared)：沿直线传播，不能穿透墙壁。常用于短距离通信，如电视遥控器

物理层接口的特性

物理层的主要功能之一就是定义了设备与传输介质之间的接口标准。这些标准通常由以下四个特性来规定:

机械特性 (Mechanical Characteristics): 指明接口的物理属性，如连接器的形状、尺寸、引脚数量和排列方式等。

例如我们日常使用的USB接口和RJ45网线接口的物理形状和尺寸都是标准化的，确保不同厂商的设备可以物理连接。

电气特性 (Electrical Characteristics): 规定了在线路上传输的信号的电气参数，如电压的范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。

例如规定用-5V到+5V的电压表示比特“1”，用0V表示比特“0”。同时规定了驱动器和接收器的电气参数。

功能特性 (Functional Characteristics): 指明接口的各个引脚（或线路）的功能和用途。

示例：在一个串行通信接口中，会明确规定哪个引脚是用于发送数据（TxD），哪个引脚是用于接收数据（RxD），哪个是地线（GND）等。

过程特性(Procedural Characteristics): 也称为规程特性，它规定了利用接口线路实现比特流传输的一系列操作事件的顺序。

示例：规定了设备间建立连接的“握手”过程。例如，A设备要向B设备发送数据，A首先要激活“请求发送”（RTS）引脚，等待B激活“清除发送”（CTS）引脚作为响应后，A才能开始发送数据。

物理层设备

物理层设备，也称为Layer 1设备，是网络中最简单的连接设备。它们的共同特点是，它们在OSI模型的第一层（物理层）上工作，只处理电信号（比特流），而不识别更高层次的数据结构，如MAC地址（数据链路层）或IP地址（网络层）。

这些设备的主要作用是信号的再生和分发，以克服物理介质在传输过程中的信号衰减和距离限制。

中继器 (Repeater)

中继器是一种连接两个相同网络段的设备，通常只有两个端口。

其核心功能是信号再生 (Signal Regeneration): 当电信号在电缆中长距离传输时，会发生衰减（信号变弱）和失真。中继器接收到这种衰弱的信号后，并不是简单地将其放大（Amplification）。简单的放大器会同时放大信号和累积的噪声。相反，中继器会解析出原始的比特流（0和1），然后生成一个全新的、标准的、无失真的强信号再发送出去。这个“再生”过程是其关键所在。

主要用途：延长网络的物理距离。例如，以太网标准规定双绞线的最大传输距离为100米。如果需要连接两个相距150米的设备，就可以在中间放置一个中继器来延长通信距离。

局限性: - 无法连接不同类型的网络：它只能连接物理层协议和速率都相同的网络段，例如连接两个以太网段。 - 扩大冲突域：中继器会将其连接的所有网段合并成一个更大的冲突域 (Collision Domain)。这意味着，如果任何一端的设备发送数据时发生碰撞，这个碰撞信号会被中继器转发，从而影响到另一端的网络。

冲突域是指在同一时间内，只允许一台设备发送数据的网络范围

集线器 (Hub)

集线器本质上是一个多端口的中继器 (Multi-port Repeater)。它是一个中心连接设备，用于将多个计算机或其他网络设备连接在一起，形成一个星型拓扑结构。

当集线器从其任何一个端口接收到数据信号时，它会对信号进行再生，然后将该信号广播到所有其他端口。这意味着连接到集线器的所有设备都会收到这份数据，无论这份数据是不是发给它的。接收到的设备需要在其网络接口卡（网卡）层面判断这份数据是否是自己的，如果不是则丢弃。集线器本身完全不关心数据的目的地。

核心特点与缺点：

单一冲突域 (Single Collision Domain)：这是集线器最主要的特征。所有连接到集线器的设备都处于同一个冲突域中。如果两台设备同时发送数据，就会发生碰撞，并且这个碰撞会影响到网络中的所有设备，导致通信失败和重传。
共享带宽 (Shared Bandwidth)：集线器上所有端口共享总带宽。例如，一个100Mbps的8口集线器，如果8台设备都在通信，那么它们必须共享这100Mbps的带宽，每台设备实际可用的带宽会远低于100Mbps。
半双工 (Half-duplex)模式：由于工作在单一冲突域中，设备不能同时发送和接收数据，只能进行半双工通信。

因此, 由于上述严重的性能瓶颈，集线器目前已基本被淘汰，在现代网络中几乎看不到。它的位置已经被数据链路层的交换机 (Switch) 所取代。