★物理层:概述
◇物理层的必要性
通俗地说:直接与物理介质打交道的层次,就是物理层。这一层的必要性比较明显。
因为所有的通讯,归根结底都要依赖于【物理介质】。与物理介质打交道,需要牵涉到很多与【物理学】相关的东东。比如:“无线电通讯”需要关心“频率/波长”;电缆通讯需要跟“电压”打交道;“光纤通讯”需要关心“玻璃的折射率&光线的入射角” ……
“物理层”的主要职责是:屏蔽这些细节,使得“物理层”之上的层次不用再去操心物理学。
◇物理信道的类型
何为“物理信道”,在本文开篇的“基本概念”已经提到了。
对于“物理信道”,还可以进一步细分为如下三大类:
1. 有线信道(比如:双绞线、同轴电缆、光纤、等等)
2. 无线信道(比如:微波通讯、电台广播、卫星通讯、等等)
3. 存储信道
“存储信道”比较少见,很多人没听说过,稍微解释一下。
假设你要把一大坨信息传送给另一个人,除了用“有线 or 无线”这两种通讯方式,还可以把信息先保存到某种【存储介质】(比如硬盘),然后再把存储介质用某种方式(比如快递)转交给对方。这就是所谓的“存储信道”。
◇信噪比(Signal-to-noise ratio)
俺在很多篇关于“学习&心理学”的博文中提到过【信噪比】这个概念。其实这个概念是从通讯领域借用的术语。
对于“物理信道”,总是会存在某些环境干扰,称之为“噪声”(Noise)。“信道传输的有用信息”与“无用的干扰噪声”,这两者的比值就是“信噪比”。
“信噪比”单位是【分贝】。“分贝”洋文叫做“decibel”(简写为 dB)。“deci”表示“十进制”;“bel”是为了纪念大名鼎鼎的贝尔(电话它爹)。
◇带宽的限制因素
“物理信道”要依赖于物理传输介质。不管使用何种物理介质,都要受限于某些基本的物理学定律(比如“光速上限”)。另外,不管何种物理介质,总是会有或多或少的环境干扰(噪声)。这两个因素导致了:任何“物理信道”的最大传输率总是有限滴。
由于物理层是最底下的一层,物理层之上的其它层次总是要直接或间接地依赖【物理信道】。因此,其它层次建立的“逻辑信道”,其带宽只会比“物理信道”的最大带宽更小。换句话说:“物理信道”的带宽上限也就是整个协议栈的带宽上限。
◇多路复用(Multiplexing)
一般来说,凡是能实现【长距离】通讯的“物理信道”,都有相当的经济成本。比如铺设“光纤、同轴电缆”都要花钱。无线电通讯虽然免去了铺设线路的成本,但需要竞标购买频段。因此,物理信道非常强调“多路复用”。
所谓的“多路复用”,通俗地说就是:尽可能地共享物理信道,不要浪费了。
“多路复用”有很多种类型;不同的类型,原理也不同。为了展示各种不同的原理,俺拿【无线通信】来说事儿。
无线通信领域的“多路复用”,【至少】有如下几种:
频分多路复用/FDM(Frequency-Division Multiplexing)
这个最简单,就是根据频率拆分。不同的线路占用不同的频段,互不干扰。(电台广播用的就是这个思路)
但这个思路的缺点很明显——
其一,要依赖足够宽的频段(频段是稀缺资源);
其二,不同线路的流量可能会动态变化。如果某个线路空闲,其占用的频段就浪费了。
(注:光纤通讯中有个“波分多路复用/WDM”,本质上就是 FDM)
时分多路复用/TDM(Time-Division Multiplexing)
这种思路只用一个很窄的频段。为了在同一个频道发送多个信道,采用【分时机制】,把时间切割成很小的时间片,每个线路占用一个时间片。周而往复。
这个思路有点像十字路口的红绿灯——每隔一段时间,其中一条路可以通行。
这个思路的优点是:可以只使用一个很窄的频段。缺点是:线路越多,每条线路等待越久;即使某个线路空闲,依然会占用时间片(浪费了资源)。
码分多路复用/CDM(Code-Division Multiplexing)
这种思路采用某种【编码】的技巧,使得多个端点可以在同一个时间点使用同一频段发送数据;由于他们采用不同的编码方式,不会相互干扰。
一般来说,CDM 要依赖于“扩频技术”(spread spectrum),需占用一个比较宽的频道范围。这算是缺点。但其优点很明显——
其一,可以支持 N 个线路(N 动态变化);
其二,即使任何一个线路的流量动态变化,也不会浪费物理信道的资源。
显然,这种思路明显优于 FDM & TDM。如今在移动通讯领域大名鼎鼎的 CDMA(码分多址),采用的就是这个思路。
★物理层:具体实例
◇物理层的【协议】
物理层的协议主要有如下:
USB 协议
蓝牙协议的一部分
IEEE 802.11 的一部分(Wi-Fi)
IEEE 802.16(WiMAX)
IEEE 1394(火线接口)
RS-232 协议(串行接口/串口)
……
(考虑到篇幅)俺不可能具体细聊这些协议,只是贴出每个的维基百科链接,感兴趣的同学自己点进去看。
◇物理层的【协议实现】
对于电脑主机(含移动设备),“网卡硬件”包含了物理层的协议实现(参见如下示意图)
另外,还有一些专门的【1层】网络设备,也提供物理层的功能(参见下一个小节)。
![](http://8.222.231.210/wp-content/uploads/2024/02/图片-5-1024x626.png)
◇物理层相关的【网络设备】
调制解调器(modem)
通俗地说,“调制解调器”就是用来翻译“数字信号 & 模拟信号”。
在发送信息时,modem 把电脑要发送的“字节流”(数字信号)翻译成“模拟信号”,然后通过物理介质发送出去;当它从物理介质收到“模拟信号”,再翻译成“数字信号”,传回给电脑。
早期的拨号上网,modem 面对的物理介质是“固话线路”;如今家庭宽带普及,光纤入户,modem 面对的物理介质是“光纤线路”。
![](http://8.222.231.210/wp-content/uploads/2024/02/图片-6-1024x896.png)
中继器(repeater)
信号在物理介质中传输,会出现【衰减】(不论是“有线 or 无线”都有可能衰减)。“中继器”的作用是【信号增益】,使得信号能传得更远。
另外,比如“微波通讯”是直线传播,而地球表面有弧度,还有地形的起伏。所以每隔一定距离要建“微波塔”。这玩意儿也相当于“中继器”。
![](http://8.222.231.210/wp-content/uploads/2024/02/图片-7.png)
集线器(hub)
可以把“集线器”视作更牛逼的“中继器”——“中继器”只有两个口(只能连接两个通讯端点),而“集线器”有多个口(同时连接多个通讯端点)。
通常所说的“集线器”是指“以太网集线器”。这种设备如今已经逐步淘汰,很少见到了。
![](http://8.222.231.210/wp-content/uploads/2024/02/图片-8-1024x675.png)
另外,很多同学应该都用过“USB hub”,就是针对 USB 线的“集线器”(“USB 线”也可以视作某种通讯介质)。
发表回复