物理层如何传输比特流？

???? 大家好，我是Zhan，一名个人练习时长一年半的大二后台练习生????

???? 这篇文章是 深入浅出计算机网络 第二篇笔记????

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???? 与君同舟渡，达岸各自归????

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???? 引语

在上篇文章中 深入浅出计算机网络（一）--计网概述 我们了解到了计算机网络的体系结构，也就是所谓的“分层”，那么今天我们就先了解最下面的一层--物理层

物理层是最基础的一层，我们都知道计算机最底层的东西其实就是比特流，也就是所谓的0、1，物理层考虑的就是怎么才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，本篇会从下面几点来了解物理层：

• 1️⃣ 物理层下的传输媒体
• 2️⃣ 物理层的传输方式
• 3️⃣ 信号的编码与调制
• 4️⃣ 信道的极限容量

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???? 物理层下的传输媒体

计算机与计算机之间传输比特流，可以通过光纤、双绞线...传输媒体，然后把比特流传输给数据链路层，传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，不包含在计算机网络体系结构中

???? 传输媒体的分类

传输媒体可以根据它们的性质进行分类：

• 导向性传输媒体（固体媒体）
  • 同轴电缆价格较贵，布线不够灵活和方便
  • 双绞线 是两根铜线以一定的方式绞合在一起，这样做的好处就是可以减少相邻导线的电磁干扰、抵御部分来自外界的电磁干扰
  • 光纤 是利用高中知识的全反射进行传输，这是属于多模光纤，而单模光纤中光是直线传播的，它的优点是通信容量非常大，抗雷电和电磁干扰性能好，传输的损耗小，中继距离长，体积小重量轻，但是它的光电接口比较昂贵，切割光纤也要比较贵的专业设备
• 非导向性传输媒体（*空间）
  • 无线电波 是波长范围为1-1000m的波，它有低频和高频，其中低频的无线电波是在地球表面以地面波的形式进行传输，而高频的无线电波是利用地球上方100~500 千米高空处的带电离子层进行反射到下一个基站
  • 微波 利用同步地球卫星、中、低轨道人造卫星进行传输，这样做的坏处就是传输时延比较长，也就是延时比较长
  • 红外线 就是我们平时使用的空调、电视遥控器这种，需要点对点无线传输，很明显它的缺点就是中间不能有障碍物，传输的距离和速率比较低
  • 可见光 它的名字又叫 LIFI，这门技术还在研究中，是利用可见光的变化进行信号的传输，人眼是无法察觉的，但是也面临了很多的技术难点

⚓ 无线电频谱管理机构

对于非导向性传输媒体，使用波在*空间中传输，1-1000 Hz 的波一般不用于通信，而 2^-16 ~ 2^-6 Hz 的波很难产生和调制，绕过障碍物的能力也很弱，对生物还有害，那么对于中间的这些波，我们也不能随意去使用

ISM频段：可以*使用的一些无线电频段，对于不在这个频段的无线电，我们是需要去申请下面提到的无线电频谱管理机构的许可证

无线电频谱管理机构

• 中国：工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室）
• 美国：联邦通讯委员会 FCC

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???? 传输方式

网络通信之间的方式我之间在深入浅出计算机网络（一）--计网概述有讲到：电路交换、分组交换、报文交换，而物理层有以下三对传输方式，我们下面来了解和比较一下这三种传输方式：

???? 串行传输和并行传输

关于串行和并行这两个概念相信大家都不陌生了，通过字面意思我们大概也能懂串行传输和并行传输的意思：

• 串行传输：也就是发送端一次性发送所有的比特流
• 并行传输：把比特流分为多个信道进行传输
• 在实际环境的网络传输中，一般不会使用并行传输，因为太浪费资源了，只会在计算机内部 CPU 总线的时候进行并行传输，而局域网的传输是使用串行传输

???? 同步传输和异步传输

由于发送端同步发送比特流是以数字信号的方式进行传输，就会存在由于时钟频率的误差累计而导致的比特信号采样时刻的严重偏移，举个例子：

概念补充-码元：在使用时间域的波形表示信号的时候，一个基本的波形就是码元，此处的高电平和低电平就是两种基本的波形

要解决这个问题，第一种方法就是：

1. 外同步：在发送端和接收端之间加上一条时钟线，接收端以时钟线的频率去获取信号
2. 内同步：发送端将时钟信号编码到数据中一起发送过去
3. 这个我们在后面的编码与调制中详细去讲

而异步传输其实指的是字节之间异步，也就是说字节之间的时间间隔并不固定，如下如所示： 这就不可避免的就是，需要在每一个小比特流的首端和末端加上头部和尾部用于标识，也就是说可能第一个字节和第二个字节的时间间隔为 1ms、2ms、3ms……，但是字节中的比特的的持续时间是相同的，八个比特的信号的持续时间是相同的

???? 单向通信、双向交替通信和双向同时通信

我们可以用三个例子来说明这三种传输方式：

单向通信：也就是只有一条从发送端到接受端的信道，我们生活中的无线电广播就是这样，我们的收音机就是一个被动的接收端

双向交替通信：尽管发送端和接收端有两条信道，可以做到双向传输，但是同时只能有一条信道在传输，对讲机就是这样的

双向同时通信：它有两条信道并且可以同时传输，我们用手机打电话就是这样

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???? 编码与调制

在讲编码与调制之前首先要引入两个概念：

数据：也就是要传输的信息，例如我们在键盘上键入一个 A，那么它转换为 ASCII 编码 0100 0001，就是一个数字信号，而如果是一段音频，它就是一个模拟信号，也就是说数据是分为这两种，其中数字信号是离散的，只能以 0 1 这种形式来表示，而模拟信号是可以使用连续的图形来表示的

信号：我们要传输数据，必须转换为信号，也就是上面提到的数字信号和模拟信号，我们下面主要会讲数字信号，也就是比特流

????️ 编码、调制在做什么？

对于比特流是无法直接在网络之间进行通信的，而是要以信号的形式进行通信，那么就需要编码和调制把它转换为可以传输的信号。

编码：将数字信息转换为另一种形式，以便在信道中传输，例如把10001 00111转为：

调制：如果要把数据进行远距离传输，只能把数字信号转换为模拟信号再进行传输，因为数字信号的频率低，在传输的过程中容易失真，因此需要调频为高频信号进行传输，也就是调制

???? 常用编码方式

在讲解同步传输和异步传输的时候我们就提到了，无法判断是多少个码元，我们提到了两种方法外同步、内同步，外同步就是使用时钟信号线的方式，接收方按照时钟信号的节拍对数据信号线上的信号进行采样，但是对于计算机网络，宁愿利用这根传输才能传输数据信号，而不是传输时钟信号，这就要利用下面几种常见的编码方式实现内同步了：

双极性归零编码： 每个码元的中间时刻都会回归到零电平，接收方只需要采样信号归零后的就行，但是很明显，大部分的数据带宽，都用来传输零电平而被浪费掉了

曼切斯特编码： 码元中间时刻的电平跳变就代表要传输的数据，正跳和反跳的表示是 0 还是 1 是可以自行定义的

差分曼切斯特编码： 码元中间时刻的电平跳变仅仅表示时钟信号，而数据的表示是在于每一个码元开始的地方是否有电平跳变，没有跳变就是1，有跳变就是0 说明： 在传输大量连续的 1 或 0 的时候，差分曼切斯特编码的信号变化更少，在噪声干下，检测没有跳变是更不容易出错的，因此差分曼切斯特编码更易于检测的

???? 常用调制方式

调制就是把离散的数字信号转化为连续的模拟信号，调制的方法有基本的带通调制方法和混合调制方法

基本的带通调制方法：有调幅、调频、调相三种调制方法，也就是根据高电平和低电平去设置幅度、频率、相位

思考： 使用基本的带通调制方法，1个码元只能包含一个比特的信息，那怎么让一个码元包含更多的比特呢？ 解答： 可以使用混合调制方法，也就是同时去调幅度、频率、相位，进行排列组合，但是频率和相位是相关的，因此它们不能混合调制，这里就用到振幅和相位的混合调制：

我们以正交振幅调制 QAM-16 举例：

• 一共有 12 种相位（12 个不同的角度，可以结合下面的图观察）
• 每种相位有 1 或 2 种振幅可以选择（也就是对角线上的两个码元可以有两种振幅进行选择）
• 这样就可以调制出 16 种码元，每种码元可以对应表示四个比特：
• 思考：为什么是 16 种码元对应四个比特呢
• 如果是一个比特，也就是 0 和 1 两种，我们就需要有两种不一样的情况进行表示，而如果是两个比特，也就是 00 01 10 11，我们就需要四种基本波形去表示，而四个比特就需要 2⁴ 种码元（基本波形）

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思考：每个码元和四个比特的对应关系是否能随便定义？

对于上面这种情况，我们可以发现，如果出现误差的 E 点，被解调为 1111，而原本它是 0000，出现了四个比特位都不一样，因此对应关系我们一般使用格雷码，也就是任意两个相邻码元之间只有一个比特不同：

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????️信道的极限容量

码元的传输速率、传输距离、噪声干扰、传输媒体的质量都会导致信号的失真，那么信号是如何失真的呢，我们首先要了解一下信道上的数字信号是如何传输的

其实传输的方波信号是由基波和谐波叠加形成的，我们可以看一下基波与三次谐波叠加形成的数字信号： 而随着高频信号的计入，谐波的次数越来越多就得到了：

• 也就是说，如果数字信号的高频分量谐波在传输的时候收到衰减，或者不能通过信道，这样接收端获取到的波形就会失真，每一个码元所占的时间界限也会变的不明确，这种现象我们称为码间串扰
• 因此，信道的频带越宽，能通过的信号的高频分量就越多，传输的效率也会越高

???? 奈氏准则

上面我们也提到，码元传输速度是与信道的频带关联很大的，根据奈氏给出的公式，就可以根据信道的频率带宽计算出信道的最高码元传输速率

理想低筒信道的最高码元传输速率 = 2W Band = 2W 码元/秒

• W 信道的频率带宽，单位为 Hz
• Band 波特，也就是 码元 / 秒
• 这里说的是理想低筒信道的最高码元传输速率，与实际的信道的差别还是很大的

码元传输速率又称为波特率，波特率和比特率是有一定的关系的：

• 当一个码元只携带一比特的信息量的时候，波特率是和比特率相等的
• 而像我们上文提到的混合调制QAM-16，一个码元携带四个比特的信息，比特率就是波特率的四倍
• 而一个码元并不是携带越多的比特的信息越好，因为在实际的信道中的噪音会影响接收端对码元的识别

????????‍???? 香农公式

相较于奈氏准则，香农公式带上了信噪比，也就是考虑了信道内的高斯噪声而计算出来的极限信息传输速率

香农公式： C = Wlog₂ (1 + S/N )

• C：信道的极限信息传输速率（单位为 b/s）
• W：信道的频率带宽（单位为 Hz）
• S：信道内所传信号的平均功率
• N：信道内的高斯噪声功率
• S/N：信噪比，单位为（dB），信噪比 = 10log₁₀(S/N)

从香农公式我们可以得出：

• 信道的频率带宽和信噪比越大，信道的极限信息传输速率就越高
• 实际情况下也无法达到这个极限信息传输速率，因为在实际信道中，信号还要收到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等
• 想要提高信息的传输速率，就必须采用更复杂的调制技术，并努力提高信道中的信噪比

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???? 总结

本篇博客讲述了物理层的主要作用以及内部的一些实现细节，物理层主要是进行比特流的传输：

1. 而传输是需要介质的，因此我们有介绍固体媒体、*空间媒体，也就是使用电线传播和使用无线电传播，而无线电传播是需要使用ISM频段
2. 数据是无法直接传输的，需要转换为信号，因此我们需要把比特流首先通过编码转为数字信号，然后通过调制转为模拟信号，进而进行传输，这里我们介绍了三种编码方式：双极性归零编码、曼切斯特编码、差分曼切斯特编码，以及四种调制方式：调幅、调频、调相、混合调制（以QAM-16举例）
3. 物理层传输信息的速率自然是越快越好，因此我们就需要了解信号在信道中如何进行传输，然后了解到频率带宽与传输速率的关系，进而了解到奈氏准则、香农公式，得出信噪比与频率带宽对于信息的传输速率的影响

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???? 友链

• 编码与调制_调制和编码的区别
• ChatGPT
• 计算机网络微课堂（湖科大）

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✒写在最后

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