(基本概念)

通信基礎

導讀

大家好，很高興又和大家見面啦！！！

計算機網絡是一個極其複雜的系統，為了將這種複雜性化繁為簡，工程師們採用了 “分層” 的設計思想。這就像建造大樓，穩定的地基和清晰的結構是確保其功能的基礎。計算機網絡的體系結構，正是這樣一份至關重要的 “建築設計圖”，它定義了網絡應該如何分層，以及每一層需要完成什麼功能。

在前面的內容中，我們學習了主流的網絡模型：

  • 理論完善的 OSI七層參考模型
  • 廣泛應用於互聯網的 TCP/IP四層模型。

為了教學和理解的方便，我們常採用一種折中的 五層模型，自頂向下依次為：

  • 應用層：直接為用户的應用程序（如瀏覽器、郵箱）提供網絡服務。

  • 傳輸層：負責主機中兩個進程之間的通信，為應用層提供端到端的可靠或不可靠傳輸。

  • 網絡層：負責為不同網絡上的主機進行數據分組的路由和轉發，關鍵的協議是IP協議。

  • 數據鏈路層：負責在相鄰節點（如同一局域網內的兩台設備）之間無差錯地傳輸數據幀。

  • 物理層：作為整個體系結構的基石，它關注的是如何在具體的物理介質（如網線、光纖）上透明地傳輸原始的比特流（0和1）。

數據在網絡中的傳遞，就像一個包裹被層層打包和拆解：

  • 發送端的數據從應用層開始，自上而下地經過各層，每一層都會為數據添加本層的控制信息（稱為“首部”），這個過程叫做封裝。

  • 接收端則相反，數據自下而上地傳遞，每一層在讀取並處理完相應的控制信息後，將其首部剝離，然後上交，這個過程叫做解封裝。

這個精妙的協作過程，確保了信息能夠準確無誤地抵達目的地。

當我們順着這個層次結構逐級向下探索，最終會抵達一切網絡通信的物理基礎——物理層。如果説上層的協議和軟件定義了通信的“規則”與“內容”，那麼物理層要解決的則是更本質的問題：

如何將表示信息的比特流（0和1的序列），通過具體的物理介質真實地傳輸出去？

物理層並不特指某根具體的網線，而是定義了連接和操作物理介質的一系列規範，包括接口的形狀、電氣特性、信號含義等。它確保了不同廠商生產的設備能夠物理互聯並正確理解彼此發出的信號。

理解物理層，我們才能真正明白數據是如何從“虛無”的二進制代碼，變成“實在”的光電信號，最終在縱橫交錯的網絡世界裏開始它們的旅程。

在接下來的正文中，我們將深入物理層的技術細節，為您揭開數字通信最基礎一層的奧秘。

一、數據、信號與碼元

1.1 定義

數據：傳送信息的實體。 信號：數據的電氣或電磁表現，是數據在傳輸過程中的存在形式。 碼元：固定時長的信號 碼元寬度：固定時長，也稱信號週期。

1.2 理解

通信的目的是傳輸信息，如文字、圖像和視頻等。這些傳輸的內容就是數據。

信號則是數據在傳輸過程中的存在形式。這裏我們可以理解為現實生活中的運送貨物，這裏我們就以運輸水來舉例：

現在我們要從 $A$ 地將水運送到 $B$ 地：

graph LR
A[A地]--->w[水]--->B[B地]

這裏的水就是整個過程中傳輸的數據。

我們在運輸水的過程中，水可以通過不同的形式進行運輸：

  • 可以將水製作成冰，以固態的形式進行運輸
  • 也可以通過容器將水存儲，以液態的形式進行運輸

不管是液態還是固態，都是水的一種存在形式，這就好比數據在傳輸過程中的信號。

也就是説，信號與數據是同一個事物。因此不管是數據還是信號都有模擬或數字之分：

  • 模擬數據（或模擬信號）的取值是連續的
  • 數字數據（或數字信號）的取值是離散的

在通信系統中，常用一個固定時長的信號波形表示一個 $k$ 進制數，這個時長內的信號就是碼元，而該時長就是碼元寬度，也稱為信號週期。

1碼元可以攜帶若干比特的信息量。我們知道二進制數只有兩種：0 和 1，在傳輸數據的過程中，根據傳輸數據的不同，一個信號週期內也會存在不同的信號內容：

  • 一個信號週期內只存在兩種信號——0 或 1。那麼每個信號就對應1個二進制數（1bit），即1碼元可以攜帶 1bit 的信息量；

  • 一個信號週期內只存在四種信號——00/01/10/11。那麼每個信號就對應兩個二進制數（2bit），即1碼元可以攜帶 2bit 的信息量。

二、信源、信道與信宿

2.1 定義

信源：產生和發送數據的源頭 信宿：接收數據的終點 信道：信號的傳輸介質

2.2 理解

這裏我們還是以運輸水的例子進行説明：

graph LR
A[A地]--->w[水]--->B[B地]

$A$ 地就是產生和運輸水的源頭，它所對應的就是信源； $B$ 地就是接收水的終點，它所對應的就是信宿； 運輸水的交通工具對應的就是信道；

2.3 信道的分類

信道按傳輸信號形式的不同，分為傳送模擬信號的模擬信道和傳送數字信號的數字信道；

信道按傳輸介質的不同分為無線信道和有線信道；

2.4 信號的分類

信道上傳送的信號有基帶信號和寬帶信號之分。

  • 基帶信號是由信源發出的未經調製的原始電信號，當在信道中直接傳送基帶信號時，稱為基帶傳輸
  • 寬帶信號是先將基帶信號進行調製，形成頻分複用模擬信號，然後送到信道上傳輸，稱為寬帶傳輸。

2.5 傳輸方式的分類

數據的傳輸方式分為串行傳輸和並行傳輸。

  • 串行傳輸：逐比特地按序依次傳輸
  • 並行傳輸：若干比特通過多個通信信道同時傳輸

串行傳輸適用於長距離通信；並行傳輸適用於近距離通信，常用於計算機內部；

2.6 通信方式

從通信雙方信息的交互方式看，可分為三種基本方式：

  • 單向通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互
  • 半雙工通信：通信雙方都可以發送或接收信息，但任何一方都不能同時發送和接收信息
  • 全雙工通信：通信雙方可同時發送和接收信息。

單向通信只有一個信道：

graph LR
	subgraph 發送端
		a[信源]--->b[變換器]
	end

	subgraph 接收端
		d[反變換器]--->e[信宿]
	end
b--->c[信道]--->d
f[噪聲源]--->c

上圖展示的就是一個單向通信的系統模型，其中：

  • 變換器：將信源發出的信息轉換成適合在信道上傳輸的信號
  • 反變換器：將從信道傳輸過來的信號轉換成原始信息，然後發送給信宿
  • 噪聲源：是信道上的噪聲及分散在通信系統其他各處的噪聲的集中表示

而半雙工通信或全雙工通信都需要兩個信道，每個方向一個信道——一個發送信道，一個接收信道：

graph LR
	subgraph 端B
		a[信源]--->b1[變換器]
		b2[反變換器]--->a2[信宿]
	end
	subgraph 信道
		c1[發送信道]
		c2[接收信道]
	end
	subgraph 端A
		d1[反變換器]--->e1[信宿]
		e2[信源]--->d2[變換器]
	end
	
	b1--->c2--->d1
	d2--->c1--->b2
	g[噪聲源]--->c1
	g--->c2

上圖展示的就是一個雙向通信系統的模型。在雙向通信系統中，發送端即可以發送信息，也可以接收信息；同理，接收端既可以接受信息，也可以發送信息；

  • 發送信道：用於將信號從發送端傳輸到接收端
  • 接收信道：用於將信號從接收端傳輸到發送端

當端 $A$ 發送信息時，發出的信息通過發送信道發送到端 $B$; 當端 $A$ 接收信息時，接收由接收信道接收的來自端 $B$ 的信息；

當然，這裏的發送信道與接收信道是一個相對的概念：

  • 當信息從端 $A$ 發送到端 $B$ 時：
    • 對於端 $A$ 而言，信息傳輸的信道就是發送信道
    • 對於端 $B$ 而言，信息傳輸的信道就是接收信道
  • 當信息從端 $B$ 發送到端 $A$ 時：
    • 對於端 $B$ 而言，信息傳輸的信道就是發送信道
    • 對於端 $A$ 而言，信息傳輸的信道就是接收信道

三、速率、波特與帶寬

3.1 定義

速率：指數據傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量，通常有兩種描述形式：

  • 碼元傳輸速率：也稱波特率或調製速率，表示數字通信系統每秒傳輸的碼元數，單位是波特（Baud）。
  • 信息傳輸速率：又稱比特率，表示數字通信系統每秒傳輸的比特數，單位是比特/秒（b/s）。

帶寬：用來表示網絡的通信線路所能傳輸數據的能力，即最高數據率，單位是 b/s。

3.2 注意

  1. 碼元即可以是多進制的，也可以是二進制的，碼元速率與進制無關。
  2. 波特和比特是兩個不同的概念，但波特率與比特率在數量上又有一定的關係。若一個碼元攜帶 $n$ 比特的信息量，則波特率 M Baud 對應的比特率為 Mn b/s。
  3. 在模擬信號系統中，帶寬又稱頻率帶寬，用來表示某個信道所能傳輸信號的頻率範圍，即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）。

結語

今天的內容到這裏就結束了。物理層作為網絡通信的基石，其核心任務是為數據端到端的可靠傳輸奠定物理基礎。下面我們通過幾個關鍵模塊，快速回顧本文的核心要點：

✨ 通信的“原材料”：數據、信號與碼元

  • 數據​​是信息的實體，而​​信號​​則是數據在傳輸過程中的電磁表現，是比特流的物理載體。 ​​
  • 碼元​​是數字通信中的基本單位，指一個固定時長的信號波形，代表一個 $k$ 進制數字。一個碼元可以攜帶多個比特的信息量。

📡 通信的“流水線”：信源、信道與信宿

  • 數據通信的基本流程：​​信源​​產生信息，​​信道​​是傳輸媒介，​​信宿​​接收信息。

  • 根據信號在信道上的流向和時間關係，通信方式可分為​​**單工​​（單向）、​​半雙工​​（雙向交替）和​​全雙工​​（雙向同時）**。

⚡ 衡量通信的“尺子”：速率、波特與帶寬

  • ​​碼元傳輸速率（波特率）​​：單位是波特，表示每秒傳輸的碼元個數。
  • 信息傳輸速率（比特率）​​：單位是比特/秒，表示每秒傳輸的二進制信息量。
  • 兩者關係：若一個碼元攜帶 n比特信息，則 比特率 = 波特率 × n。

希望這次對物理層核心概念的梳理，能幫助您將它們清晰地串聯起來，夯實網絡學習的基石！如果您覺得本文對您有幫助，歡迎：

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