《计算机网络》——第二章：物理层

1.物理层的基本概念

• 解决问题：如何在各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
• 主要任务：确定传输媒体的接口的一些特性：
  • 机械特性：例，接口特性、大小、引线数目
  • 电气特性：例，规定电压范围
  • 功能特性：例，规定5V表示1，-5V表示0
  • 过程特性：又称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤
• 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这种差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么

2.数据通信的基础知识

• 数据通信模型

  • 三大部分：源系统（或发送方、发送方）、传输系统（或传输网络）、目的系统（或接收端、接收方）
  • 源系统：
    • 源点：源点设备产生要传输的数据
    • 发送器：将源点生成的数字比特流编码后使之能够在传输系统中进行传输（最常见为调制器）
  • 目的系统：
    • 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息（最常见为解调器）
    • 终点：从接收器获取传送过来的数字比特流，然后把信息输出
      

• 相关术语

  • 数据(data):运送消息的实体
  • 信号(signal):数据的电气的或电磁的表现
    • 模拟信号:代表消息的参数的取值是连续的
    • 数字信号:代表消息的参数的取值是离散的
  • 码元(code):在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元
    • 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表是一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度，1码元可以携带nbit的信息量
      
      

• 信道(channel):一般表示向一个方向传送信息的媒体（常说的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道）

  • 单向通信（单工通信）：只能一个方向的通信而没有反方向的交互
  • 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（接收）例，对讲机
  • 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收消息 例，电话
    
    

• 基带信号和带通信号

  • 基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号，即发出的直接表达了要传输的信息的信号
    • 计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号
    • 我们说话的声波
  • 带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即在一定频率范围内能够通过信道）
  • 基带传输：适用于传输距离较近时，如从计算机到监视器、打印机等外设
    
    

• 几种基本调制方法

  • 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化
  • 调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化
  • 调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化

• 常用编码：

  • 单极性不归零码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0
  • 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等
  • 单极性归零码(RZ)：以高电平和零电平分别表示二进制码1和0，而且在发送码1时高电平在整个码元期间T只持续一段时间τ，其余时间返回零电平
  • 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息
  • 曼彻斯特编码：
    • bit中间有信号低-高跳变为0，bit中间有信号高-低跳变为1
    • 一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit，但它能携带时钟周期，且可表示没有数据传输
  • 差分曼彻斯特编码：
    • bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变表示下一个bit为0
    • bit中间有信号跳变，bit与bit之间没有信号跳变表示下一个bit为1
    • 其与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码
      

• 信道极限容量

  • 奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能
  • 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比
  • 香农公式得出信道的极限信息传输速率C为
    $C=Wlog_2(1+S/N)$C=Wlog2​(1+S/N) b/s
    • W 为信道的带宽(以HZ为单位)
    • S 为信道内所传信号的平均功率
    • N 为信道内部的高斯噪声功率
  • 香农公式=>只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输
  • 码元传输速率受奈氏准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制
    
    

3.物理层下面的传输媒体

• 传输媒体：又称传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路
  
  

• 导向传输媒体:电磁波沿着固体媒体传播

  • 双绞线：屏蔽双绞线STP、无屏蔽双绞线UTP
    
  • 同轴电缆：
    • 50Ω同轴电缆：用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴传输
    • 75Ω同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆
      
      
  • 光缆：光线在纤芯中传输的方式是不断地全发射
    • 单模光纤：光线一直向前传输，不会产生多次反射
    • 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输
      在这里插入图片描述

• 非导向传输媒体：*空间，其中的电磁波传输被称为无线传输

  • 短波通信（即高频通信）主要靠电离层的反射
  • 微波通信：在空间主要是直线传播
    • 传统的微波通信方式主要有两种方式：地面微波接力通信、卫星通信
    • 微博波段频率很高，其频段范围也很宽，故其通信信道的容量很大
    • 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，故微波传输质量较高
      
      

• 集线器：

  • 工作特点：在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
  • 最大传输距离：100m
  • 集线器是一个大的冲突域
    
    

4. 信道复用技术

• 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

  • 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
    注意：这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率
    
    

• 时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

  • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)，每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，每一个用户所占用的时隙是周期性地出现
  • TDM信号也称为等时(isochronous)信号
  • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度
  • 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般不是很高
    

• 统计时分复用STDM(Statistic TDM)：改进的时分复用，又称异步时分复用
  
  

• 波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)：光的频分复用
  
  

• 码分复用CDM(Code Division Multiplexing):每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰，有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现（最初用于军事通信）
  
  

• 在进行通信是，复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)成对的使用
  
  

5. 宽带接入技术

• ADSL技术:

  • 非对称数字用户ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，ADSL技术把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用

  • DMT调制技术：

    • 采用频分复用方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道
    • 每个子信道占据4KHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制，这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行的传送数据
      
      
• 其他不同的高速DSL可记为xDSL
• 光纤同轴混合网HFC（Hybrid Fiber Coax）
• FTTx技术(Fiber To The…)