深入浅出TCP/IP和VPN

第1章 物理层浅说 提起物理层，*先映入脑海的可能就是网线。但物理层绝对不是网线（双绞线）这么简单。从某种意义上说，网络模型中的物理层是学习过程中*容易忽略的一层。但是，物理层是涉及物理学、数学、材料学等较多知识的一个层。比如著名的香农（Shannon）定理就与物理层密切相关。不过从掌握基本概念和基础学习的角度来看，可暂时忘记物理层，从*基本的通信系统切入，不失为一种较好的方法。 1.1 通信系统基本模型 我们日常的电话、视频、微信等，都属于通信。这些通信场景形态各异、千差万别，但是抽象地看，其背后都符合一个通信系统的基本模型，如图1-1所示。 图1-1　通信系统基本模型 信源指信息的发送方，信宿指信息的接收方。在图1-1中，信源、信宿及中间的信号传输（网络）都是非常抽象的，它甚至可以指代一条狗、一只猫和“以太”（古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质）。 狗（信源）与猫（信宿）的对视，通过眼神交流，它们之间为“光通信”，其信号传输网络则是“以太”。 在图1-1中，却有两个不那么抽象的模块：编码和调制/解调这两个模块其实并不那么抽象，是因为我们要讲述的还是计算机通信，而不是完全抽象的通信系统。另外，编码、调制、解调，虽然不像TCP/IP那样显山露水，却是通信系统非常基础的部分。尤其是编码，是基础的基础。 1.1.1　编码 通过网络，我们可以获取很多信息，然而网络中“跑”的一般都是数字信号。数字信号就是以常见的二进制数字表示的信号，类似于“0101”这样的比特流。假设，用高（正）电平表示1，用低（零）电平表示0，信源要发送一串比特流“1010110”给信宿，则其信号传输如图1-2所示。 图1-2　发送比特流 在图1-2中，信源将数据“1010110”转换为固定时间间隔（周期为T）的信号进行发送，网络传输对原始脉冲信号没有做任何改变（也没有任何衰减和噪声干扰），信宿接收到脉冲信号以后，需要将这些脉冲信号进行还原，得到原始信息（1010110），这就要求信宿和信源的时钟要同步。 时钟同步是通信系统中一个重要且涉及知识面极广的话题，由于本书主题是协议，因此这里不进行详述。可以这样简单理解时钟同步：信宿还原信号的频率与信源发送信号的频率要相同。图1-3描述了时钟同步与不同步的情形。 在图1-3中，当时钟同步时，信宿和信源的时钟频率相同，即T2 = T1，所以信宿能够正确地还原出信源发送的数据（1010110）；而当时钟不同步时，信宿的时钟周期是信源的2倍，即T2 = 2T1，此时数据传输就会出错。 时钟同步是网络通信中一个非常重要的基础条件，其定义如下：信宿端的定时时钟频率与其所接收的码元的速率完全相同，并且定时时钟信号与所接收的码元信号的频率保持固定的*佳相位关系。信宿端获得或产生符合这一要求的定时信号的过程称为时钟同步（或称为位同步或比特同步）。 该定义包含以下几层含义。 信宿端的时钟与其所接收的码元（信号）频率必须相同。 信宿端可通过某种方法获得这个频率：信源端专门发送同步信息（称为导频），信宿端从导频信号中提取出时钟频率，也称为外同步法。 信宿端也可从其所接收的码元（信号）中提取出该频率，而不需要额外的导频信号，也称为自同步法。 1. 归零编码 归零编码（Return Zero Encoding，RZ编码）就是将一个信号周期T分为两个部分：T1时段用以表达（传输）数据，T2时段用以将信号电平归零，如图1-4所示。 图1-4　RZ编码（单极性） 图1-4中，RZ编码就是利用T2时段内的归零信号表达（传输）时钟信号，其优点是不需要额外的导频信号；缺点是传输效率下降，其传输效率只有T1/T。就传输效率而言，自同步（信号里包含时钟信息）可能更具优势。 RZ编码分为单极性归零编码和双极性归零编码。图1-4表示的就是单极性归零编码，它用高电平表示1，用低电平表示0。而双极性归零编码则用正（高）电平表示1，负（低）电平表示0，更容易看出归零的效果，如图1-5所示。 图1-5　RZ编码（双极性） 2. 不归零编码 不归零编码（None Return Zero Encoding，NRZ编码）表示传输完一个码之后电压不需要回到0，如图1-6所示。 NRZ编码的优点是传输效率是100%，缺点是信号中没有包含时钟信息。NRZ编码若想传输高速同步数据，基本上都要带时钟线（异步低速传输可以没有），这是额外的负担。 3. 反向不归零编码 RZ编码自带时钟信息，但是传输效率相对较低；而NRZ编码传输效率高（100%），但是不能自带时钟信息。反向不归零编码（Non Return Zero Inverted Encoding，NRZI编码）则解决了RZ/NRZ编码的矛盾：既能自带时钟信息，又能高效传输，如图1-7所示。 NRZI编码的规则是：与前一个信号对比，如果相同，则为1；如果不同，则为0。 极端情况下，如果发送一串全0的比特流，如“0000000”，则NRZI编码会变成图1-8所示。 图1-7　NRZI编码　　　　　　　　　　　图1-8　NRZI编码（全0比特流） 需要特别说明，NRZI编码“害怕”全1比特流，因为如果“全1”，则无法提取时钟信息。其解决方案是在一定数量的1后面插入一个0，然后在解码时再将这个0删去除。例如，著名的USB 2.0协议就规定在7个1后面插入一个0。如果要发送8个1（11111111），那么其NRZI编码如图1-9所示。 图1-9　NRZI编码（8个1的比特流） 4. 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）也称为相位编码（Phase Encoding，PE）。前文介绍的RZ、NRZ、NRZI编码都以电平高低来表达数字信号，而曼彻斯特编码则以电平跳变来表达数字信号，如图1-10所示。 图1-10　曼彻斯特编码关于比特的标识 图1-10表述了曼彻斯特编码两种定义数字信号比特1/0的方法（现在这两种定义都有应用），如下所述。 ①IEEE 802.3（以太网）、IEEE 802.4（令牌总线）中规定, 低-高电平跳变表示1, 高-低电平跳变表示0。 ②G. E. Thomas、 Andrew S. Tanenbaum于1949年提出，低-高电平跳变表示0，高-低电平跳变表示1。 对于“1010110”的曼彻斯特编码如图1-11所示。从图中可以看出，曼彻斯特编码的传输效率与R2编码一样，也是有损传输，没有达到100%。 图1-11　曼彻斯特编码（1010110） 5. 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码关于比特的标识如图1-12所示。 图1-12　差分曼彻斯特编码关于比特的标识 对于“1010110”的差分曼彻斯特编码，如图1-13所示。从图可以看出，差分曼彻斯特编码的传输效率与曼彻斯特编码一样，也是有损传输效率，没能达到100%。 图1-13　差分曼彻斯特编码（1010110） 1.1.2　码元 码元在通信中也是非常基础的概念，其定义如下：在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元。 也有另一种描述是：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。 如图1-14所示，其表达的其实就是NRZ编码。用高电平（电压为E）表示二进制数字1，用低电平（电压为0）表示二进制数字0，而高电平/低电平的持续时间为T。也就是说，持续时间为T的电压E，或者持续时间为T的电压0，均被称为码元。 图1-14　码元的通俗解释 在图1-14中，一个码元携带一个比特信息（E等价于1，0等价于0），也有一个码元携带多个比特信息的情况，如图1-15所示。 码元有2E、E、-E、-2E，分别代表01、00、10、11，即1个码元可以携带2个比特信息。 码元所表达的含义是：计算机（广义的计算机）只能处理0/1这样的二进制数字，即信号只有2个状态，但是网络传输的信号不只有2个状态，也可以有4个状态，也可以有更多的状态。 码元与第1.1.1节中所介绍的编码方法并不矛盾，两者可以结合起来使用。例如，用图1-15所表示的码元，基于NRZ编码表达“10101100”这8个比特，如图1-16所示。 图1-15　1个码元携带2个比特信息 图1-16　码元与NRZ编码（10101100） 1.1.3　调制与解调 从网络中传输的信号的“本源”的角度来看，信号分为两种：基带信号（基本频带信号）、带通信号。 基带信号就是来自信源的信号，其没有做任何处理。计算机从网卡输出的信号属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道（1.1.4小节会介绍这个概念，这里暂且理解为传输线路）并不能传输这种低频分量或直流分量，因此必须对基带信号进行调制（Modulation）。 带通信号就是基带信号经过载波调制后的信号，其目的是把信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输。 载波就是载着基带信号的波（信号）。载波一般是高频波，以正弦波为例，其波形如图1-17所示。 图1-17　载波示例 （1）调制 调制即载波承载基带信号的方式，包括调幅、调频、调相3种，如图1-18所示（假设基带信号是数字信号）。 图1-18　调幅、调频、调相 调幅（Amplitude Modulation，AM），就是用载波信号的不同振幅来表达基带信号的信息（数字信号中的0/1）。 调频（Frequency Modulation，FM），就是用载波信号的不同频率来表达基带信号的信息。 调相（Phase Modulation，PM），就是用载波信号的相位来表达基带信号的信息。