韩立刚计算机网络笔记-第02章 物理层
第02章 物理层
2.1物理层的基本概念
物理层定义了与传输媒体的接口有关的一些特性。
机械特性。指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定的锁定装置等等，平时常见的各种规格的接插部件都有严格的标准化规定。这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。如图所示为某广域网接口和线缆接口。
电气特性。指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。比如－ I OV~+ IOV 之间。
功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
过程特性。定义了在信号线上进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作顺序和时序，使得比特流传输得以完成。
2.2数据通信基础
2.2.1数据通信模型
2.2.2数据通信一些常用术语
信息（Message）：通信的目的是传送信息，如文字、图像、视频和音频等都是消息。
数据（Data）：信息在传输之前需要进行编码，编码后的信息就变成数据。
信号（signal）：数据在通信线路上传递需要变成电信号或光信号。
2.2.3 模拟信号和数字信号
模拟信号或连续信号
数字信号或离散信号
数字信号和模拟信号优缺点
模拟信号在传输过程中如果出现信号干扰发生波形发生变形，很难纠正。
数字信号波形失真可以修复
2.3.4模拟信号转换成数字信号
模拟信号可以转换成数字信号，转换过程有失真。所以听歌还要去演唱会现场，100%的音效。使用电脑听的音乐是转换成数字信号后再还原成模拟信号，就达不到现场效果了。
采样频率和采样精度决定音乐的品质
2.3信道和调制
2.3.1 信道
信道（Channel）是信息传输的通道，即信息进行传输时所经过的一条通路，信道的一端是发送端，另一端是接收端。一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）。
2.3.2单工和半双工以及全双工通信
单向通信
又称为单工通信，即信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。无线电广播或有线电视广播就是单工通信，信号只能是广播电台发送，收音机接收。
双向交替通信
又称半双工通信，信号可以双向传送，但是必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传。有些对讲机就是用半双工通信，A端说话B端接听，B端说话A端接听，不能同时说和听。
双向同时通信
又称全双工通信，即信号可以同时双向传送。比如我们手机打电话，听和说可以同时进行。
2.3.3调制
来自信源的信号通常称为基带信号（即基本频带信号）。
调制可以分为两大类。
一类仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变化后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制十八数字信号转换成另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码（coding）
另一类则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。
2.3.4信道极限容量
有失真但可识别
失真太大无法识别
信道带宽
信道带宽=能够通过的最高频率-最低频率
模拟信号谐波成数字信号
数字信号高频带宽不能通过
奈氏准则（数字信号）
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以使用更高速率传递码元而不出现码间串扰。
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。
Baud是波特，是码元传输速率的单位。
使用奈氏准则给出的公式，可以根据信道的带宽，计算出码元的最高传输速率。
在码元传输速率一定的情况下提高数据传输速率
码元传输速率一定，那就让一码元承载更多信息。8进制码元，一码元代表三位二进制数，16进制码元，一码元代表4进制数。
在工作电压一定的情况下，16进制码元波形差别就小，更容易受干扰。
要想增加码元之间的电压差别，那就要怎加工作电压，也就是提高发送信号的功率。
香农公式（适用于模拟信号和数字信号）
有噪声的信道的极限信息传输速率C：
C=W log2（1+S/N）（b/s）
式中，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
信噪比
所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。即：
信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）
例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。
2.4传输媒体
2.4.1 导向传输媒体
双绞线
同轴电缆
光纤
单一模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在2.5Gb/s的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器。
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：
传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。
2.4.2非引导型传输媒体
无线电频段
短波通信
短波通信即高频通信，主要是靠电离层的反射。
微波通信
微波在空间主要是直线传播
无线局域网
要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的（只要不干扰他人在这个频段中的通信），这正好满足计算无线局域网的需求。
2.5信道复用技术
2.5.1频分复用
频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）适合于模拟信号。
2.5.2时分复用
数字信号的传输更多使用时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术。
时分复用采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号， 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。
统计时分复用，需要给没有给用户添加一个标记，接收端用来区分用户。
交换机之间使用干道链路连接，可以通过多个VLAN的帧，就是给每个VLAN的帧添加帧标记。
2.5.3 波分复用
光的频分复用
光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。目前一根单模光纤的传输速率可达到2.5Gb/s。再提高传输速率就比较困难了。为了提高光纤的传输信号的速率，也可以进行频分复用，由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就得出了波分复用这一名词。
2.5.4码分复用
码分复用CDM（Code Division Multiplexing）又称码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。是扩频通信技术（数字技术的分支）上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。
码片正交
什么是相互正交呢？两个不同站的码片序列正交，就是向量A 和B的规格化内积（inner product）都是0，令向量A表示站A的码片向量，令B 表示其他任何站的码片向量。
码片序列，自己和自己的格式化内积，为1。
自己和自己的反码序列-A格式化内积，为-1。
2.6 宽带接入技术
2.6.1 铜线接入技术
铜线宽带接入技术也就是xDSL（各种类型DSL（Digital Subscriber Line）数字用户线路的总称）技术，就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
ADSL属于DSL技术的一种，全称Asymmetric Digital Subscriber Line（非对称数字用户线路），亦可称作非对称数字用户环路。是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载带宽数字业务。ADSL考虑了用户访问Internet的主要是获取网络资源，更多的下载流量，较少的上行流量，因此ADSL上行和下行带宽设计成为不对称。上行指从用户到 ISP，而下行指从ISP 到用户。
ADSL信道
基于ADSL的接入网的组成
2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）
光纤同轴混合网（HFC网）在1988年被提出，HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写。HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
2.6.3光纤接入技术
从技术上讲，光纤到户FTTH（Fiber To The Home）应当是最好的选择。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭，在用户的家中才把光信号转换成电信号，这样用户可以得到更高的上网速率。
根据光纤到用户的距离来分类，可分成光纤到小区（Fiber To The Zone即FTTZ）、光纤到路边（Fiber To The Curb即FTTC）、光纤到大楼（Fiber To The Building即FTTB）、光纤到户（Fiber To The Home即 FTTH）以及光纤到桌面（Fiber To The Desk即FTTD）等。
2.6.4 移动互联网接入技术
移动互联网，就是将移动通信和互联网二者结合起来，成为一体。
4G全IP网络
基于子网的4G IP网络
