02-物理层

局域网介质

• 用途：传输数据

• 方式：编码、传输、接收

常见干扰类型

• EMI Electromagnetic Interference 电磁干扰

• RFI Radio Frequency Interference 射频干扰

STP Shielded Twisted Pair / ScTP Screened Twisted Pair 有屏蔽双绞线

• 最大长度：100m

• 速度：10-100Mbps

• 四对线

• 特点：包裹金属屏蔽层，防止外部干扰

  • STP 包裹在每对线上

  • ScTP 包裹在整个线上

• 缺点

  • 传输距离有限

  • 额外屏蔽层增加尺寸和成本

  • 对施工质量要求高

UTP Unshielded Twisted Pair 无屏蔽双绞线

• 通过双绞线的方式减少干扰：两根导线产生相反信号，干扰信号被抵消

• 最大长度：100m

• 速度：10-100Mbps

• 优点

  • 价格低

  • 尺寸小

  • 安装方便

  • 使用RJ连接器（俗称网线接口），插拔方便，连接可靠

• 缺点

  • 相较于同轴电缆和光纤传输距离有限

  • 容易受到干扰

Coaxial 同轴电缆

• 最大长度：500m

• 速度：10-100Mbps

• 价格介于双绞线和光纤之间

Fiber Optic 光纤

• 通过光信号传输数据

• 最大长度：单模 3km，多模 2km

• 速度：100Mbps+

• 材质非金属，不受 EMI RFI 干扰

光纤的模式

特性	单模光纤（SMF）	多模光纤（MMF）
传播模式	沿光缆的轴传播	多种模式
传输距离	长距离	短距离（小于2公里）
带宽性能	高带宽，无模式色散影响	低带宽，易受模式色散影响
能量损耗	低	高

无线通信

• 将信号编码为无线电波传输数据

• 区分无线电波：频分多路复用

• 传输途径

  • 激光 Laser：速率高，但需要约定好传输路径，不能穿透障碍物

  • 无线电波 Radio：可穿透障碍物，传输距离远

  • 红外线 Infrared：只能在视线范围内传输/反射/折射，不能穿透障碍物/衍射

以太网使用的双绞线

T568A/B 接线标准

• T568A：白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕

• T568B：白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕

• Pair 1: 蓝/白蓝

• Pair 2: 橙/白橙

• Pair 3: 绿/白绿

• Pair 4: 棕/白棕

• 直通线 Straight-through Cable：两侧都为同一标准

• 反转线 Rollover Cable：俗称 Console 线，1-8 2-7 3-6 连接

• 交叉线 Crossover Cable：一侧为 T568A，一侧为 T568B

  • 用于连接同类设备，如两台计算机、两台交换机

介质与信号问题

• 碰撞/冲突：两个设备同时发送数据，导致数据丢失

• 集线器/中继器能扩大冲突域

• 网桥/交换机/路由器能分割冲突域

数据交换基础知识

模拟/数字信号

• 模拟信号：连续变化的信号

  • 可通过傅里叶变换分解为多个频率的正弦波

• 数字信号：离散的信号

  • 码元：数字信号的最小单位/基本波形

  • 可通过离散傅里叶变换分解为多个频率的正弦波

  • 由于介质本身限制，会产生畸变

传输速率

• 无噪声信道：$C = W \log_2 L \mathrm{ bps}$

  • C：传输速率

  • W：信道带宽

  • L：信号的电平数量/不同的离散值

• 噪声信道：$C = W \log_2 (1 + S/N) \mathrm{bps}$

  • S/N：信噪比

• 提高传输速率的方向

  • 增加信道带宽

  • 提高信噪比

  • 改进编码，让每个码元携带更多信息

• 波特率：信号中每秒钟变化的速度

• 比特率：每秒钟传输的比特数

• 比特率 = 波特率 $\cdot \log_2 L$

数据通信系统模型

• 在传输过程中使用模拟信号

• 使用调制解调器将发出的数字信号变为模拟信号/将收到的模拟信号变为数字信号

编码

为便于大家复习，编码部分知识单独使用 Excel 绘制了示意图，可在下载区的Notes/02-物理层编码示意图.xlsx目录下找到。

单极性编码

• 0 为零，1 为正

• 缺点：容易产生错误

  • 难以分辨结束/开始

  • 发送&接收方必须同步

  • 直流分量问题：长时间电平不变，难以区分0和1

极化编码 - 不归零编码 NRZ

• 不归零电平编码：0 为负，1 为正

  • 缺点：同单极性编码

• 不归零反相编码：0 为无电平变化，1 为电平反转

  • 对于同一数据有两种相反的编码输出，取决于初始状态

  • 缺点：同单极性

极化编码 - 归零编码 RZ

• 0 为前半段时间负，1 为前半段时间正，后半段时间归零

• 优点：信号本身带有同步信息

• 缺点：信息熵低，传输速率低

极化编码 - 曼彻斯特编码

PPT 上 “0 为前正后负，1 为前负后正”和“1 为前正后负，0 为前负后正”两种类型的图都有，IEEE 802.3 标准推荐前者。

• 0 为前正后负，1 为前负后正

• 优点：同步信息明显，采用两个电平，效率高

极化编码 - 差分曼彻斯特编码

• 0 为位前跳变（和上一位中间跳变后的状态相反），1 为位前不跳变（保持上一位中间跳变后的状态）

• 中间跳变：表示时钟信号

• 对于同一数据有两种相反的编码输出，取决于初始状态

• 优点：时钟、数据分离，便于提取

双极性编码

• 两种电平，0 为0电平，1 为正负电平跃迁（正负交替）

• 只能同步连续的1，无法同步连续的0

多路复用技术

带宽

• 多路复用中的带宽：信道频率范围，单位 Hz

• 上网中的带宽：数据传输速率，单位 bps

• 以下所有的带宽均为第一种定义

技术	说明	适用场景	特点
FDM 频分复用	将频谱划分为多个频道，每个频道传输一个信号	传统电话线路 AM/FM广播	用户在同一时间占用不同带宽
TDM 时分复用	将时间划分为多个时隙，每个时隙传输一个信号	电话线路	周期性，用户在不同时间占用同样带宽
WDM 波分复用	将光信号划分为多个波长，每个波长传输一个信号 光的频分复用	光纤通信
CDM 码分复用	将信号编码为数字序列，每个序列传输一个信号	无线通信	抗干扰能力强，不易被发现

• 时分复用是周期性的，容易带来浪费，可通过统计时分复用重新排布时隙

通信方式

传输方向

英文名称	中文名称	说明	类比
Simplex	单工通信	单向通信	单行道
Half-Duplex	半双工通信	一方发送，一方接收，但不能同时进行	单线双向铁路
Full-Duplex	全双工通信	双方可以同时发送和接收	双线双向铁路

串行/并行

• 串行通信：一根线逐位传输

• 并行通信：多根线同时传输多位，出错要重传

物理层设备

Media 介质

• 以位为单位携带信息流

• 信号从一个网络设备传送到另一个网络设备的方式

• 0-1信号变为电信号或者无线电波光信号等。

Repeaters 中继器

• 清除、放大、重发被长电缆削弱的信号，延长网络长度

• 不执行筛选，无条件中继

Hub 集线器

• 多端口中继器 Mulitiport Repeater ：连接多台PC，将衰减的信号放大

• 重复信号：将数据广播到连接的每一个设备（效率低，易拥堵），由接收端确定是否接收消息

• 无法筛选过滤

• 无法路由

• 和Repeater的差别：端口更多，广播式通信，体量更大

• 在逻辑上是总线型拓扑