计算机网络-物理层

一、基本概念

物理层解决如何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
物理层的主要任务：确定传输媒体的接口的一些特性，包括，
机械特性：接口形状，大小，引线数目
电气特性：例如规定电压范围(-5V-5V)
功能特性：例如规定-5V上0，+5V是1
过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

二、数据通信的基础知识

通信的目的是传送信息

1. 相关术语

1. 数据(data)——运送消息的实体。

2. 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

   • “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
   • “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

3. 码元(code)——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。

2. 信道的基本概念

信道一般表示向一个方向传输信息的媒体。所以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。

1. 单向通信(单工通信)——只能有一个方向的通信，没有反向交互。
2. 双向交替通信(半双工通信)——通信的双方都可以发送信息，但是不能双方同时发送或接收。
3. 双向同时通信(全双工通信)——通信的双发可以同时发送和接收。

3. 基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号

基带信号：(基本频率信号)——来自信源的信号，例如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如说我们说话的声波。
带通信号：——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围迁移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

因此在传输距离较近时，采用基带传输方式(衰减不大，信号内容不会变化)。传输距离较远时，采用带通传输方式，例如从计算机到监视器，打印机等外设的信号。

4. 几种最基本的调制方法

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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制成带通信号(modulation)。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

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

5. 常用编码

1. 单极性不归零编码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0.

2. 双极性不归零编码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0.
   

3. 单极性归零编码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。

4. 双极性归零编码：正负零三个电平，信号本事携带同步信息。

1. 曼彻斯特编码：单极性编码的缺点是没有办法区分此时是没有信号，还是有信号，信号是0时。这种编码方式是bit中间有信号，低-高跳转表示0，高-低跳转表示1，一个时钟周期只可以表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。它能携带时钟信号，而且能区分此时是没有信号还是信号为0

3. 差分曼彻斯特编码：抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0，bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。

6. 信道的极限容量

1. 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
2. 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

7. 奈氏(Nyquist)准则

1. 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，也就是没有噪声的干扰，码元的传输速率的上限值
2. 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。
3. 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，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

8. 信噪比和香农(Shannon)公式

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为

​
$$
C = W log2(1+S/N) b/s
$$
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。

可以发现，减少速度和增大功率能提高准确度。
信道的带宽或信道中的信噪比(S/N)越大，则信息的极限传输速率C就越高；
只要信息传输速率小于信道的极限传输速率C，就一定能实现某种无差错传输；
若带宽W或信噪比(S/N)没有上限，则极限传输速率C也没有上限(虽然不可能)；
实际上，信道能达到的最高传输速率要比C低不少；

9. 奈氏(Nyquist)准则和香农公式的应用范围

三、物理层下面的传输媒体

1. 导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播

双绞线：

1. 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
   1. 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

同轴电缆：

1. 50欧姆同轴电缆(基带同轴电缆)——用于数字传输，多用于基带传输；

2. 75欧姆同轴电缆(宽带同轴电缆)——用于模拟传输，多用于带通传输；

光缆：
网线：

1. 直通线——双绞线夹线顺序两端一致(1白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕，口诀“橙白橙/绿白蓝/蓝白绿/棕白棕”)，直通线应用最广，这种类型的以太网电缆用来实现以下连接：主机到交换机/集线器，路由器到交换机/集线器
2. 交叉线——一般不同设备连接用直通线，同类设备用交叉线。也用于集线器到交换机，路由器到主机连接。
3. 注意，现在网卡能够自动协商，所以交叉线和直通线已经无所谓了，连错了也没关系。

光纤：

1. 单模光纤——只能传输一种电磁波；直径小；用于有线电视网络，传播特性好，带宽可达10GHz，可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目。
2. 多模光纤——能传输多种电磁波；直径大；

2. 非导向传输媒体

非导向传输媒体指自由空间，其中的电磁波传输称为无线传输。

电信领域使用的电磁波的频谱如下

1. 无线传输所使用的频段很广。
2. 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。
3. 微波在空间主要是直线传播。
   • 地面微波接力通信
   • 卫星通信

3. 物理层设备

集线器：
工作特点是在网络中只起到信号放大和重发作用，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。

最大传输距离是100m；

集线器是一个大的冲突域(意思是某个时间点只能是2台设备进行通信)。

现在很少用集线器了，它不安全，一般用交换机。

四、信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念。

1. 频分复用(Frequency Division Multiplexing) FDM

1. 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。
2. 频分复用的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）

2. 时分复用TDM (Time Division Multiplexing)

1. 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）, 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。
2. 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）。
3. TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
4. 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

3. 统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

需要在放置前添加标记

4. 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

5. 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

1. 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
2. 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
3. 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。
4. 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

规格化内积，计算方法就是S和T对应的码片序列每项相乘的和除以序列长

规格化内积为0是正交

例子：四个手机都接收到一个这样的信号，计算每个手机收到码片序列可以算出什么？使用规格化内积的方法，结果为0就是没有信号，1或者-1说明能收到这个信号，结果为1说明该站发送的是1；结果为-1则说明该站发送的是0。

1. A：A和R的每一项相乘然后相加最后除以序列长度8等于1
2. 剩下的方法和A一样，只有C接收不到信号

码分复用的缺点：表示一个bit需要更多的数据。

五、数字传输系统

1. 脉码调制 PCM 体制

1. 脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
2. 由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
3. E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
4. 当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

六、宽带接入技术

1. xDSL技术

1. xDSL 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。
2. 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
3. xDSL 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。
4. DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线 ，把0-4kHz留给传统电话使用，把原来没有利用的高频谱段留给用户上网使用。

2. 光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)

1. 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。
2. 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。
3. 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，

3. FTTx 技术

1. FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
2. 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
3. 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
4. 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

七、复习

基本上熟悉下面的知识点就可以了