《计算机网络（第5版）》第二章 物理层

aramae2026-06-16 9:30

《计算机网络（第5版）》第二章 物理层

    • 一、物理层的基本概念
      • [1. 物理层的任务](#1. 物理层的任务)
      • [2. 物理层协议（规程）的四类特性](#2. 物理层协议（规程）的四类特性)
      • [3. 其他职责](#3. 其他职责)
    • 二、数据通信的基础知识
      • [1. 数据通信系统模型](#1. 数据通信系统模型)
      • [2. 基本术语](#2. 基本术语)
      • [3. 信道的基本概念](#3. 信道的基本概念)
        • [(1) 通信方式（按信息交互方式）](#(1) 通信方式（按信息交互方式）)
        • [(2) 信号与调制](#(2) 信号与调制)
        • [(3) 基本带通调制方法](#(3) 基本带通调制方法)
      • [4. 信道的极限容量](#4. 信道的极限容量)
        • [(1) 影响传输速率的因素](#(1) 影响传输速率的因素)
        • [(2) 奈奎斯特定理（理想低通信道，无噪声）](#(2) 奈奎斯特定理（理想低通信道，无噪声）)
        • [(3) 香农公式（有噪声信道）](#(3) 香农公式（有噪声信道）)
    • 三、物理层下面的传输媒体
      • [1. 导向传输媒体](#1. 导向传输媒体)
        • [(1) 双绞线](#(1) 双绞线)
        • [(2) 同轴电缆](#(2) 同轴电缆)
        • [(3) 光缆（光纤）](#(3) 光缆（光纤）)
      • [2. 非导向传输媒体（无线传输）](#2. 非导向传输媒体（无线传输）)
        • [(1) 无线电波频段](#(1) 无线电波频段)
        • [(2) 地面微波接力通信](#(2) 地面微波接力通信)
        • [(3) 卫星通信](#(3) 卫星通信)
        • [(4) 无线局域网使用的ISM频段](#(4) 无线局域网使用的ISM频段)
        • [(5) 红外通信、激光通信](#(5) 红外通信、激光通信)
    • 四、信道复用技术
      • [1. 复用与分用概念](#1. 复用与分用概念)
      • [2. 主要复用方式对比](#2. 主要复用方式对比)
      • [3. 各复用技术详解](#3. 各复用技术详解)
        • [(1) FDM](#(1) FDM)
        • [(2) TDM](#(2) TDM)
        • [(3) STDM（异步时分复用）](#(3) STDM（异步时分复用）)
        • [(4) WDM/DWDM](#(4) WDM/DWDM)
        • [(5) CDMA](#(5) CDMA)
    • 五、数字传输系统
      • [1. PCM（脉码调制）体制](#1. PCM（脉码调制）体制)
      • [2. SONET（同步光纤网）和 SDH（同步数字系列）](#2. SONET（同步光纤网）和 SDH（同步数字系列）)
    • 六、宽带接入技术
      • [1. xDSL技术（数字用户线）](#1. xDSL技术（数字用户线）)
      • [2. HFC网（光纤同轴混合网）](#2. HFC网（光纤同轴混合网）)
      • [3. FTTx技术（光纤到...）](#3. FTTx技术（光纤到...）)
    • 七、重要公式汇总
    • 八、常见英文缩写

一、物理层的基本概念

1. 物理层的任务

  • 透明地传输比特流（比特传输）
  • 屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异

2. 物理层协议（规程）的四类特性

特性 描述
机械特性 接口接线器形状、尺寸、引脚数、排列、固定装置等
电气特性 接口电缆各条线上电压范围
功能特性 某条线上某电平电压的含义
过程特性 不同功能事件的顺序

3. 其他职责

  • 完成并行传输 → 串行传输的转换
  • 注意：物理媒体（双绞线、光纤等）不属于物理层协议，属于物理层下面（有时称为第0层）

二、数据通信的基础知识

1. 数据通信系统模型

三大部分：

  • 源系统（发送端）：源点（产生数据）+ 发送器（编码/调制）
  • 传输系统：传输网络
  • 目的系统（接收端）：接收器（解调/解码）+ 终点（目的设备）

2. 基本术语

术语 含义
消息(message) 话音、文字、图像等
数据(data) 运送消息的实体
信号(signal) 数据的电气/电磁表现
模拟信号 连续信号，参数取值连续
数字信号 离散信号，参数取值离散
码元 数字信号中代表不同离散数值的基本波形

3. 信道的基本概念

(1) 通信方式（按信息交互方式）
方式 别名 特点 所需信道数
单向通信 单工通信 只能一个方向，如广播 1条
双向交替通信 半双工通信 双方可发，但不能同时 2条
双向同时通信 全双工通信 双方可同时收发 2条
(2) 信号与调制
  • 基带信号：来自信源的原始信号（含低频/直流成分）
  • 带通信号：经过载波调制后的信号
  • 基带调制：仅变换波形，仍为基带信号
  • 带通调制：使用载波，搬移频率
(3) 基本带通调制方法
调制方式 英文 原理
调幅 AM 载波振幅随数字信号变化（有/无载波）
调频 FM 载波频率随数字信号变化（f₁/f₂）
调相 PM 载波初始相位随数字信号变化（0°/180°）
正交振幅调制 QAM 振幅+相位混合调制，更高效率

4. 信道的极限容量

(1) 影响传输速率的因素
  • 信道带宽（频率范围）
  • 信噪比（S/N）
  • 噪声和失真
(2) 奈奎斯特定理（理想低通信道，无噪声）
  • 最大码元传输速率 = 2W 码元/秒（W为带宽，单位Hz）
  • 若每个码元携带n bit，则最大数据率 = 2W log₂M（M为电平数）
  • 意义：避免码间串扰的极限
(3) 香农公式（有噪声信道）

公式 ：

C = W \\log_2(1 + S/N) \\quad (\\text{b/s})

  • (W)：信道带宽（Hz）
  • (S/N)：信噪比（比值，不是dB）
  • 信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N)

意义：

  • 信道容量（极限信息传输速率）的上限
  • 只要传输速率低于C，就能实现无差错传输
  • 提高带宽或信噪比可提高C
  • 实际速率低于香农极限

三、物理层下面的传输媒体

1. 导向传输媒体

(1) 双绞线
类型 说明
UTP 无屏蔽双绞线
STP 屏蔽双绞线（抗干扰更好）
类别 3类(16MHz)、5类(100MHz)、5E(100MHz)、6类(250MHz)等
应用 电话系统、局域网（10BASE-T、100BASE-T、千兆以太网）
  • 绞合目的：减少相邻导线电磁干扰
  • 距离：几到十几公里（加放大器/中继器可延长）
(2) 同轴电缆
  • 结构：内导体 + 绝缘层 + 外导体屏蔽层 + 保护层
  • 抗干扰强，用于有线电视网、早期局域网
  • 带宽接近1GHz
(3) 光缆（光纤）
类型 纤芯直径 光源 传输距离 特点
多模光纤 较粗（50~100μm） 发光二极管 短距离 光脉冲易展宽
单模光纤 很细（几μm） 半导体激光器 长距离（数十公里） 衰耗小，成本高

常用波段：0.85μm、1.30μm、1.55μm（后两者衰减较小）

光纤优点：

  • 通信容量大（25000~30000GHz带宽）
  • 传输损耗小，中继距离长
  • 抗雷电和电磁干扰
  • 无串音，保密性好
  • 体积小，重量轻

光纤缺点：

  • 精确连接需要专用设备
  • 光电接口较贵

2. 非导向传输媒体（无线传输）

(1) 无线电波频段
  • 短波（高频）：靠电离层反射，质量差，低速传输
  • 微波（300MHz~300GHz）：直线传播，视距（LOS），约50km（中继接力可达100km）
(2) 地面微波接力通信
  • 优点：频带宽、容量大、质量高、投资少、跨越山区
  • 缺点：视距要求、气候影响、保密差、中继站维护多
(3) 卫星通信
频段 下行(GHz) 上行(GHz) 主要问题
C 3.7-4.2 5.925-6.425 地面干扰
Ku 11.7-12.2 14.0-14.5 降雨
Ka 17.7-21.7 27.5-30.5 降雨，设备贵
  • 特点：通信距离远，费用与距离无关；传播时延约270ms；适合广播通信；保密性差
  • VSAT：甚小孔径地球站（天线<1m），小站间可直接通信（呼叫建立需中心站）
(4) 无线局域网使用的ISM频段
  • 2.4GHz、5.8GHz（自由使用，需不干扰他人）
(5) 红外通信、激光通信
  • 近距离（如笔记本间）

四、信道复用技术

1. 复用与分用概念

  • 复用器：多个信号合起来使用共享信道
  • 分用器：分开送到各自终点

2. 主要复用方式对比

复用技术 原理 特点 典型应用
频分复用FDM 不同频率同时占用 模拟，带宽固定 电话载波
时分复用TDM 不同时隙轮流占用 数字，时隙固定，可能浪费 PCM数字传输
统计时分复用STDM 动态分配时隙，需地址信息 提高利用率，异步 集中器
波分复用WDM 光的频分复用，不同波长 单纤多路光信号 光纤通信
密集波分复用DWDM 更多路光信号（80路以上） 极高带宽 骨干网
码分复用CDM/CDMA 不同码片序列正交，同时同频 抗干扰，保密 移动通信，无线局域网

3. 各复用技术详解

(1) FDM
  • 用户分配到固定频带，一直占用
  • 总带宽 = 各用户带宽之和
(2) TDM
  • 帧长度固定125μs（PCM一次群）
  • 每个用户固定时隙，空闲时不能给他人用
  • 同步时分复用
(3) STDM（异步时分复用）
  • STDM帧时隙数 < 用户数
  • 动态扫描输入缓存，有数据才放
  • 需额外地址信息
(4) WDM/DWDM
  • 例：8路2.5Gb/s → 总20Gb/s
  • 掺铒光纤放大器EDFA：直接光放大，无需光电转换
  • 可在1550nm附近提供35nm增益带宽
(5) CDMA
  • 扩频通信：每个比特用m个码片（chip）表示（m=64或128）
  • 码片序列：正交（内积=0），自内积=1，与反码内积=-1
  • 工作原理 ：
    • 发送1 → 自己的码片序列；发送0 → 码片序列的反码
    • 接收端用本地码片序列与叠加信号求内积 → 还原数据（+1为1，-1为0）
  • 优点：抗干扰、保密、容量大（GSM的4~5倍）
  • 缺点：实现复杂，需要精确同步

五、数字传输系统

1. PCM（脉码调制）体制

  • 采样：8kHz采样频率（125μs），每个样值8bit编码 → 64kb/s话路
  • E1（欧洲/中国） ：
    • 30个话路 + 2个时隙（信令/同步）
    • 一次群速率：2.048 Mb/s
  • T1（北美/日本） ：
    • 24个话路
    • 一次群速率：1.544 Mb/s

高次群：

等级 E系列速率 T系列速率
一次群 2.048 Mb/s 1.544 Mb/s
二次群 8.448 Mb/s 6.312 Mb/s
三次群 34.368 Mb/s 44.736 Mb/s
四次群 139.264 Mb/s 274.176 Mb/s

2. SONET（同步光纤网）和 SDH（同步数字系列）

  • 背景：解决PCM速率不统一、非同步传输问题
  • SONET （美国标准）：
    • 基础速率：51.84 Mb/s（OC-1/STS-1）
    • 更高：OC-3(155.52)、OC-12(622.08)、OC-48(2.5G)、OC-192(10G)等
  • SDH （国际标准）：
    • 基础速率：155.52 Mb/s（STM-1，对应OC-3）
    • 更高：STM-4(622.08)、STM-16(2.5G)、STM-64(10G)等

SONET体系结构（四层）：

  • 光子层：光/电转换
  • 段层：成帧、差错检测
  • 线路层：同步、复用、自动保护
  • 路径层：业务传输

优点：

  • 世界性统一速率标准
  • 同步传输，简化复用/分用
  • 自愈环形网，高可靠
  • 管理功能强

六、宽带接入技术

1. xDSL技术（数字用户线）

  • 利用现有电话用户线（最高频超1MHz）
  • 低频0~4kHz留给电话，高端用于上网
类型 对称性 下行带宽 上行带宽 极限距离
ADSL 非对称 1.5~8 Mb/s 64kb/s~1Mb/s 2.7~5.5km
ADSL2+ 非对称 16~25 Mb/s 800kb/s 更短
HDSL 对称 1.5Mb/s 1.5Mb/s 2.7~3.6km
SDSL 对称 384kb/s~1.5Mb/s 同左 3~5.5km
VDSL 非对称 12.96~52Mb/s 1.6~2.3Mb/s 0.3~1.4km
DSL (ISDN) 对称 160kb/s 160kb/s 4.6~5.5km
ADSL关键技术
  • DMT（离散多音调）：将40kHz~1.1MHz划分为子信道（25上行，249下行），每个子信道4kHz
  • 自适应调制：根据信噪比选择调制方案
  • 组成：DSLAM（数字用户线接入复用器）+ 用户线 + ATU（接入端接单元）+ 电话分离器PS
第二代ADSL（ADSL2/ADSL2+）
  • 速率更高（ADSL2+下行16~25Mb/s）
  • 无缝速率自适应（SRA）
  • 改善线路评测和故障定位

2. HFC网（光纤同轴混合网）

  • 基于有线电视网（CATV）改造

主要特点：

  • 主干光纤（模拟光纤），结点以下同轴电缆
  • 结点体系结构：一个光纤结点带500~2000用户，形成用户群
  • 双向传输，频谱扩展（上行35MHz，下行50~750MHz）
  • 用户接口盒（UIB）：连电视机、电话、计算机

频谱划分举例：

  • 上行：5~40MHz（电话、数据、监控）
  • 下行：50750MHz（模拟电视50550，数字信号550~750）

电缆调制解调器（Cable Modem）：

  • 下行330Mb/s，上行0.22Mb/s
  • 需解决上行冲突（类似以太网CSMA/CD）
  • 标准：DOCSIS（Data Over Cable Service Interface Specifications）

3. FTTx技术（光纤到...）

缩写 全称 说明
FTTH Fiber To The Home 光纤到户，最终方案，目前成本高
FTTB Fiber To The Building 光纤到大楼，转电信号分配
FTTC Fiber To The Curb 光纤到路边，双绞线入户
FTTO Fiber To The Office 光纤到办公室
FTTN Fiber To The Neighbor 光纤到邻区
FTTD Fiber To The Door 光纤到门户
FTTF Fiber To The Floor 光纤到楼层
FTTZ Fiber To The Zone 光纤到小区

七、重要公式汇总

公式 说明
发送时延 = 数据帧长度(b) / 信道带宽(b/s) 发生在发送器
传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波速率(m/s) 发生在媒体上
信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N) S/N为比值
香农公式：C = W log₂(1 + S/N) 极限信息传输速率
CDMA内积：S·T = 0（不同站正交） S·S = 1
CDMA内积：S·(反码) = -1

八、常见英文缩写

缩写 全称 含义
FDM Frequency Division Multiplexing 频分复用
TDM Time Division Multiplexing 时分复用
STDM Statistical TDM 统计时分复用
WDM Wavelength Division Multiplexing 波分复用
DWDM Dense WDM 密集波分复用
CDMA Code Division Multiple Access 码分多址
SONET Synchronous Optical Network 同步光纤网
SDH Synchronous Digital Hierarchy 同步数字系列
STM-1 Synchronous Transfer Module 1 155.52 Mb/s
OC-48 Optical Carrier 48 2.5 Gb/s
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line 非对称数字用户线
HFC Hybrid Fiber Coax 光纤同轴混合网
DMT Discrete Multi-Tone 离散多音调
DSLAM DSL Access Multiplexer 数字用户线接入复用器
FTTH Fiber To The Home 光纤到户
PCM Pulse Code Modulation 脉码调制
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier 掺铒光纤放大器
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