【计算机网络】物理层基础知识

Chapter2:物理层 重点总结和记录

物理层

考虑的是怎样才能在连接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。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

用于物理层的协议也常称为物理层规程

物理层的主要任务：

描述为确定与传输媒体的接口的一些特性：

• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 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 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

重要概念

数据(data)——运送消息的实体。（消息是具体的信息）

信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

模拟信号 (analogous signal) ——代表消息的参数的取值是连续的。例如，当我们说话时，声音大小是连续变化的，因此运送话音信息的声波就是模拟数据，电话线上的话音信号是模拟信号。

数字信号 (digital signal)——代表消息的参数的取值是离散的。例如计算机上的网卡发送的0100110形式的数据是数字数据，其对应的在电缆上传递的信号是数字信号。

单向通信（单工通信）——只能有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(当然也就不能同时接收)。

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信息。

基带信号（即基本频带信号）

​ 来自信源的信号。

​ 基带信号是离散的，即数字信号，就是将数字信号1或0直接用只包含两种不同电压的波形来表示，然后送达线路上去。波形中只包含两种或几种不同的离散电压值

​ 举例：计算机输出的各种文字图像的数据信号都是基带信号。

​ 不利之处：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量 ，必须对基带信号进行调制。

调制分类：

• 基带调制：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。变换后的信号仍然是基带信号（依然是数字信号）。把这种过程称为编码 (coding) 。
• 带通调制：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，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。经过载波调制后的信号叫做带通信号  。

一般来说，基带调制就叫编码，而提起调制，指的是带通调制。

传输媒体

主要是导引型和非导引型传输媒体。

导引型：

双绞线：

分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。

特点：价格便宜，抗干扰性差，既可用来传输模拟信号又可用来传输数字信号。

同轴电缆：

一般用50欧姆和75欧姆。

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据 )，也是同样可以数字信号/模拟信号。

光缆：

光纤是光纤通信的传输媒体。分为多模光纤和单模光纤。

传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

非导引型：

保密性差。

主要是短波和微波通信：

短波通信：

主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波通信：

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位

微波在空间主要是直线传播。

微波通信主要是基站直视和卫星通信，抗干扰性好。

蓝牙技术特征——跳频技术：安全。

复用 ：

指允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

频分复用 FDM ：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，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：是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（其周期就是 TDM 帧的长度）。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。

时分复用可能会造成线路资源的浪费 。

统计时分复用 STDM ：STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用 CDM ：码分多址 CDMA

这种系统发送的信号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。

码片序列(chip sequence) :

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列，如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 计算中将0用-1表示。

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

信道中的数据是各站发送的数据的叠加。

两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1 。

任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

何一个码片向量和其他码片的向量或其他码片反码的向量的规格化内积都是0。

设某一站接收到的各站发来的码的叠加值为: M(M1,M2,M3,…Mm), 求S站发送何数据 ：S·M，若为1则S发送的是1，若为-1则S发送的是0，若为0则S并未发送数据。

上面是模拟传输系统，下面：

数字传输系统

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。

脉冲编码调制

脉冲编码调制就是把一个时间连续，取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。

对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化。

抽样定理：

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当抽样频率大于信号中最高频率的2倍时，抽样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。

量化：

幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的规定电平表示的过程称为量化 。这有限个电平称为量化电平。

与抽样的关系：抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样值序列。

量化噪声：量化产生的量化误差

旧的数字传输系统存在着许多缺点 ：

• 速率标准不统一

• 不是同步传输

异步通信与同步通信 ：

异步通信：

异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致 。

异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。异步通信是以字符（帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，即字符之间是异步的，但同一字符内的各位是同步的。

同步通信：

同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现：外同步和自同步。左图和右图：

同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH：

同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)  的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 n为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，

同步数字系列 SDH： 一般认为 , SDH 与 SONET 基本相同。我国采用的是SDH标准。

我国数字同步网SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系），主要技术：多基准钟，分区等级主从同步方式。

SONET / SDH 标准的意义 ：

• 使不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。
• 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。
• 已成为公认的新一代理想的传输网体制。
• SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

宽带接入技术

ADSL技术

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 技术就把 0~4 kHz 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。

DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。

上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。

ADSL技术特点 ：

• 充分利用已铺设的大量市话双绞铜线，保持资源。
• 多采用先进的DMT线路编码方式，抗串音和其他干扰的能力较强，并可根据线路长度，噪声情况自适应地选择传输速率。
• 在一条线路上可同时传送传统的POTS业务和ADSL业务，并且互不影响。
• 由于每根双绞线由每个ADSL用户独有，因而ADSL带宽也由每个ADSL用户所独占，而非带宽共享。
• 由于ADSL的传输可靠性相对较低，且传输速率有限，因而主要适用于家庭用户和中小型商业用户。
• ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关，实际上不大。

ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

DMT技术：

DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），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地传送数据。

第二代ADSL：

通过提高调制效率得到了更高的数据率。

光纤同轴混合网 HFC （Hybrid Fiber Coax ）：

nHFC 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网的主干线路采用光纤 。n在光纤结点以下就是同轴电缆。

HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带。

FTTx 技术 ：

nFTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…用户、小区、路边..）