计算机网络复习笔记---物理层（附本章成电复试重点）

二、物理层

2.1 物理层的基本概念

（1）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。
（2）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，即：

• 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。如规定-5v表示0，+5v表示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。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

（1）数据通信模型图如下

思考：如果两个电脑用网线连接起来，会是怎么传输数据？

（2）几个常见术语

• 通信的目的是传输消息。
• 数据(data)——运送消息的实体，即数据承载消息。
  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。
• 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。
• 在数字通信中常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成为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带n bit信息量。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

（1）信道一般表示向一个方向传送信息的媒体（或媒介）。所以咱们平常说的通行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。
（2）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。(比如广播电视台)
（3）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)。（如对讲机）
（4）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。 （如手机）
（5）基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像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，比如我们说话的声波就是基带信号。
（6）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（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
（7）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(modulation)。

因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

（8）最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 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。

理解上图，调幅，调频，调相：
对于调幅，振幅有变化代表“1”，没有变化代表“0”
对于调频，频率高的代表“1”，频率低的代表“0”
对于调相，注意基带信号有无变化，如果基带信号由0到1，则由正弦波变为余弦波，由1到0则反之即可。

（9）常用编码
单极性不归零码：

• 只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示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，正负值相等。
  
  注意：对于不归零码，你无法判断他是否结束，因为后面一直都是0（对于单极性不归零码）。

单极性归零码：

双极性归零码：

• 正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

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曼切斯特编码

• 指的是bit之间
• 采用曼切斯特编码，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。但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输
• 表示方法
  
  差分曼切斯特编码
• 指的是bit与bit之间
• 差分曼切斯特编码与曼切斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼切斯特编码。
• 表示方法
  
  ps：注意曼切斯特编码是bit中间，而差分曼切斯特编码是bit与bit之间。
  例子：将1000100111进行曼切斯特编码和差分曼切斯特编码
  

2.2.3 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。
（3）示意图如下：

第一个波形虽然失真，但是可以识别。第二个波形失真大无法识别。

2.2.4 信道的极限信息传输速率

（1）信道能够通过的频率范围

• 奈氏准则，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，码元的传输速率的上限值。
• 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，那么就可以用更高的速率传送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，是码元传输速率单位。
• 波特和Bit的区别
  波特，在调制解调器中经常用到波特这个概念，而Bit是信息量，如果一个码元含有三个Bit信息量，那么，1波特 = 3Bit/s

（2）信噪比 (=10 lg(S/N），单位dB)

• 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
  其中：
  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。

（3）香浓公式告诉我们：

• 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就越高。
• 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。
• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

（4）注意：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
（5）奈氏准则和香农公式的应用范围

2.3 物理层下面的传输媒体

电信领域使用的电磁波的频谱：

2.3.1 导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。
（1）双绞线

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

（2）同轴电缆

• 50 Ω同轴电缆：用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆。

• 75 Ω同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆。
  
  （3）光缆

• 光线在光纤中的折射，如图：
  

• 光纤的工作原理：

• 

• 多模光纤与单模光纤：单模光纤指只能传输一种电磁波模式，多模光纤只可以传输多个电磁波模式，实际上单模光纤和多模光纤之分，也就是纤芯的直径之分。单模光纤细，多模光纤粗。在有线电视网络中使用的光纤全是单模光纤，其传播性好，宽带可达10GHZ，可以在一根光纤中传输60套PAL—D电视节目。
  

2.3.2 非导向传输媒体

（1）非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。
（2）无线传输所使用的频段很广。
（3）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。
（4）微波在空间主要是直线传播。

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

补充笔记：物理层设备----集线器
工作特点：它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。如何理解这句话呢？来看下面的例子
设A、B、C、D和E都接在同一个集线器上，A与B通信时，CDE都可收到信号，从而形成冲突域。
官方说法：集线器是一个标准的共享式设备，也就是同一时刻只有一个端口下联的设备可以发送数据。正常工作时，集线器随机选出某一端口设备并让它独占全部带宽与集线器上联设备（如交换机、路由器等）进行通信。因此，集线器设备的所有端口即形成了一个冲突域。

2.4 信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。示意图如下：

理解复用：
不使用复用技术== 一条高速路只能一辆车通过
使用复用技术 == 一条高速路可以有很多车通过

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

（1）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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）
  
• 频分复用，同时不同频，示意图如下：
  
• 频分复用的发送与接收
  调制叠加
  
  分离解调
  
  例：
  

（2）时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

• 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。

• 时分复用，同频不同时，示意图如下：
  

• 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度对应的时间）。

• 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，如下图所示：
  
  
  
  

• 时分复用举例：
  

（3）时分复用可能会造成线路资源的浪费

• 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是不高的。
  
  理解：简单来说，假设时分复用帧大小固定4，用户一次可能只用到1或2，这就造成了浪费。这就诞生了下面的统计时分复用(Statistic TDM)。

（4）统计时分复用 STDM(Statistic TDM)

• 示意图如下：
  

2.4.2 波分复用

（1）波分复用就是光的频分复用。

（2）波分复用举例：

2.4.3 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)。
（5）CDMA 的工作原理

（6）码片序列(chip sequence)

• 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。
• 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
  发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
  发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
• S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

（7）CDMA 的重要特点

• 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。

（8）码片序列的正交关系

• 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。

• 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)都是 0：
  
  举例，令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。
  把向量 S 和 T 的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的。

• 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 。
  

• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

• CDMA举例：
  A：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
  B：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)
  C：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)
  D：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)

收到码片序列
R：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)
问：手机ABCD哪个能收到信号。
直接代入上式计算即可，如R●A=8/8=1，其他的你们动手试试看。

2.5 数字传输系统

2.5.1 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。
（5）图示如下：

2.5.2 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH

（1）旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：

• 速率标准不统一。
  如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。
• 不是同步传输。
  在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。

（2）同步光纤网 SONET

• 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。
• 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。
• 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。

（3）同步数字系列 SDH

• ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
• 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
• SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

（4）SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系

（5）SONET 的体系结构
（6）SONET 标准定义了四个光接口层

• 光子层(Photonic Layer)
  处理跨越光缆的比特传送。
• 段层(Section Layer)
  在光缆上传送 STS-N 帧。
• 线路层(Line Layer)
  负责路径层的同步和复用。
• 路径层(Path Layer)
  处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。

2.6 宽带接入技术

2.6.1 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，如图：
用户端：

电话公司端：

（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。
（5）xDSL 的几种类型

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线（常用也是本章重点）
• HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
• SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线
• VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
• DSL ：ISDN 用户线。
• RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。

（6）ADSL 的极限传输距离

• ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而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。
• 例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 ~ 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。
• 如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里

（7）ADSL 的特点

• 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 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。

（8）DMT (Discrete Multi-Tone)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。
• DMT技术图示：
  
• DMT 技术的频谱分布
  
  
  （9）ADSL 的数据率
• 由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
• 当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
• ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。
• 通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。

（10）ADSL 的组成

（11）第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4） ADSL2+（G.992.5）

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2 要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s。
• 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
• 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网）

（1）HFC(Hybrid Fiber Coax)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
（4）HFC 的主要特点
HFC网的主干线路采用光纤：

• HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
• 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。
• 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

HFC 网采用结点体系结构：

HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能：

每个家庭要安装一个用户接口盒：

• 用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即：
  使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
  使用双绞线连接到用户的电话机。
  使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

电缆调制解调器(cable modem) ：

• 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。
• 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 3–10 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.2–2 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。
• 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

（5）HFC 网的最大优点

• 具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
• 要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。
• 在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。

2.6.3 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。

附加

成电复试重点
1.波特和比特的区别？

• 波特是码元传输的速率单位，说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、
  波形速率或符号速率。
• 比特是信息量的单位，与码元的传输速率"波特"是两个完全不同的概念。

ps:如果想知道它们有什么联系，可以看看上文。

2.什么是码元？什么是码元长度？

• 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。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。

3.集线器交换机路由器各工作在哪一层？

• 集线器：物理层设备，用于信号的放大和连接多个终端。
• 交换机：数据链路层设备，有多个冲突域和广播域，有多个端口以用于连接各个主机，
  使用物理地址（MAC 地址），转发数据较快。
• 路由器：网络层设备，阻止广播，安全性高，使用逻辑地址（IP 地址），转发数据较
  慢。

4.集线器，路由器和交换机有什么区别？

• 集线器工作在第一层（即物理层），它没有智能处理能力，对它来说，数据只是电流而已，当一个端口的电流传到集线器中时，它只是简单地将电流传送到其他端口，至于其他端口连接的计算机接收不接收这些数据，它就不管了。
• 交换机工作在第二层（即数据链路层），它要比集线器智能一些，对它来说，网络上的数据就是 MAC 地址的集合，它能分辨出帧中的源 MAC 地址和目的 MAC 地址，因此可以在任意两个端口间建立联系，但是交换机并不懂得 IP 地址，它只知道 MAC 地址。
• 路由器工作在第三层（即网络层），它比交换机还要“聪明”一些，它能理解数据中的 IP地址，如果它接收到一个数据包，就检查其中的 IP 地址，如果目标地址是本地网络的就不理会，如果是其他网络的，就将数据包转发出本地网络。

5.计算机网络接入方式？举例说明。
ADSL—电话线；光纤同轴混合网（HFC）–有线电视网；FTTX—光纤到户。

ps：本文根据韩立刚老师网课所记笔记以及本人学习理解所写，如有错误欢迎指正。另外感觉不错可以点个赞，谢谢！