【计算机网络】408考研必备：计算机网络物理层知识点精讲-CFANZ编程社区

(基本概念)

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

计算机网络是一个极其复杂的系统，为了将这种复杂性化繁为简，工程师们采用了 “分层” 的设计思想。这就像建造大楼，稳定的地基和清晰的结构是确保其功能的基础。计算机网络的体系结构，正是这样一份至关重要的 “建筑设计图”，它定义了网络应该如何分层，以及每一层需要完成什么功能。

在前面的内容中，我们学习了主流的网络模型：

理论完善的 OSI七层参考模型
广泛应用于互联网的 TCP/IP四层模型。

为了教学和理解的方便，我们常采用一种折中的五层模型，自顶向下依次为：

应用层：直接为用户的应用程序（如浏览器、邮箱）提供网络服务。
传输层：负责主机中两个进程之间的通信，为应用层提供端到端的可靠或不可靠传输。
网络层：负责为不同网络上的主机进行数据分组的路由和转发，关键的协议是IP协议。
数据链路层：负责在相邻节点（如同一局域网内的两台设备）之间无差错地传输数据帧。
物理层：作为整个体系结构的基石，它关注的是如何在具体的物理介质（如网线、光纤）上透明地传输原始的比特流（0和1）。

数据在网络中的传递，就像一个包裹被层层打包和拆解：

发送端的数据从应用层开始，自上而下地经过各层，每一层都会为数据添加本层的控制信息（称为“首部”），这个过程叫做封装。
接收端则相反，数据自下而上地传递，每一层在读取并处理完相应的控制信息后，将其首部剥离，然后上交，这个过程叫做解封装。

这个精妙的协作过程，确保了信息能够准确无误地抵达目的地。

当我们顺着这个层次结构逐级向下探索，最终会抵达一切网络通信的物理基础——物理层。如果说上层的协议和软件定义了通信的“规则”与“内容”，那么物理层要解决的则是更本质的问题：

如何将表示信息的比特流（0和1的序列），通过具体的物理介质真实地传输出去？

物理层并不特指某根具体的网线，而是定义了连接和操作物理介质的一系列规范，包括接口的形状、电气特性、信号含义等。它确保了不同厂商生产的设备能够物理互联并正确理解彼此发出的信号。

理解物理层，我们才能真正明白数据是如何从“虚无”的二进制代码，变成“实在”的光电信号，最终在纵横交错的网络世界里开始它们的旅程。

在接下来的正文中，我们将深入物理层的技术细节，为您揭开数字通信最基础一层的奥秘。

一、数据、信号与码元

1.1 定义

数据：传送信息的实体。信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。码元：固定时长的信号 码元宽度：固定时长，也称信号周期。

1.2 理解

通信的目的是传输信息，如文字、图像和视频等。这些传输的内容就是数据。

信号则是数据在传输过程中的存在形式。这里我们可以理解为现实生活中的运送货物，这里我们就以运输水来举例：

现在我们要从 $A$ 地将水运送到 $B$ 地：

graph LR
A[A地]--->w[水]--->B[B地]

这里的水就是整个过程中传输的数据。

我们在运输水的过程中，水可以通过不同的形式进行运输：

可以将水制作成冰，以固态的形式进行运输
也可以通过容器将水存储，以液态的形式进行运输

不管是液态还是固态，都是水的一种存在形式，这就好比数据在传输过程中的信号。

也就是说，信号与数据是同一个事物。因此不管是数据还是信号都有模拟或数字之分：

模拟数据（或模拟信号）的取值是连续的
数字数据（或数字信号）的取值是离散的

在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形表示一个 $k$ 进制数，这个时长内的信号就是码元，而该时长就是码元宽度，也称为信号周期。

1码元可以携带若干比特的信息量。我们知道二进制数只有两种：0 和 1，在传输数据的过程中，根据传输数据的不同，一个信号周期内也会存在不同的信号内容：

一个信号周期内只存在两种信号——0 或 1。那么每个信号就对应1个二进制数（1bit），即1码元可以携带 1bit 的信息量；
一个信号周期内只存在四种信号——00/01/10/11。那么每个信号就对应两个二进制数（2bit），即1码元可以携带 2bit 的信息量。

二、信源、信道与信宿

2.1 定义

信源：产生和发送数据的源头信宿：接收数据的终点信道：信号的传输介质

2.2 理解

这里我们还是以运输水的例子进行说明：

graph LR
A[A地]--->w[水]--->B[B地]

$A$ 地就是产生和运输水的源头，它所对应的就是信源； $B$ 地就是接收水的终点，它所对应的就是信宿；运输水的交通工具对应的就是信道；

2.3 信道的分类

信道按传输信号形式的不同，分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道；

信道按传输介质的不同分为无线信道和有线信道；

2.4 信号的分类

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。

基带信号是由信源发出的未经调制的原始电信号，当在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输
宽带信号是先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到信道上传输，称为宽带传输。

2.5 传输方式的分类

数据的传输方式分为串行传输和并行传输。

串行传输：逐比特地按序依次传输
并行传输：若干比特通过多个通信信道同时传输

串行传输适用于长距离通信；并行传输适用于近距离通信，常用于计算机内部；

2.6 通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：

单向通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互
半双工通信：通信双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息
全双工通信：通信双方可同时发送和接收信息。

单向通信只有一个信道：

graph LR
	subgraph 发送端
		a[信源]--->b[变换器]
	end

	subgraph 接收端
		d[反变换器]--->e[信宿]
	end
b--->c[信道]--->d
f[噪声源]--->c

上图展示的就是一个单向通信的系统模型，其中：

变换器：将信源发出的信息转换成适合在信道上传输的信号
反变换器：将从信道传输过来的信号转换成原始信息，然后发送给信宿
噪声源：是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示

而半双工通信或全双工通信都需要两个信道，每个方向一个信道——一个发送信道，一个接收信道：

graph LR
	subgraph 端B
		a[信源]--->b1[变换器]
		b2[反变换器]--->a2[信宿]
	end
	subgraph 信道
		c1[发送信道]
		c2[接收信道]
	end
	subgraph 端A
		d1[反变换器]--->e1[信宿]
		e2[信源]--->d2[变换器]
	end
	
	b1--->c2--->d1
	d2--->c1--->b2
	g[噪声源]--->c1
	g--->c2

上图展示的就是一个双向通信系统的模型。在双向通信系统中，发送端即可以发送信息，也可以接收信息；同理，接收端既可以接受信息，也可以发送信息；

发送信道：用于将信号从发送端传输到接收端
接收信道：用于将信号从接收端传输到发送端

当端 $A$ 发送信息时，发出的信息通过发送信道发送到端 $B$; 当端 $A$ 接收信息时，接收由接收信道接收的来自端 $B$ 的信息；

当然，这里的发送信道与接收信道是一个相对的概念：

当信息从端 $A$ 发送到端 $B$ 时：
- 对于端 $A$ 而言，信息传输的信道就是发送信道
- 对于端 $B$ 而言，信息传输的信道就是接收信道
当信息从端 $B$ 发送到端 $A$ 时：
- 对于端 $B$ 而言，信息传输的信道就是发送信道
- 对于端 $A$ 而言，信息传输的信道就是接收信道

三、速率、波特与带宽

3.1 定义

速率：指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，通常有两种描述形式：

码元传输速率：也称波特率或调制速率，表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是波特（Baud）。
信息传输速率：又称比特率，表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位是比特/秒（b/s）。

带宽：用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率，单位是 b/s。

3.2 注意

码元即可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。
波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s。
在模拟信号系统中，带宽又称频率带宽，用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。