计算机网络知识总结（二）物理层

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1、物理层基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机传输媒体上传输bit流，注意，不是指用什么传输媒体（介质）
物理层的主要任务就是确定传输媒体接口的一些特性：（为了统一规划，标准化，各个厂商生产一致，可以通用）

1. 机械特性：接口形状 大小 引线数目 网线内有几根线
2. 电气特性：例如规定电压范围
3. 功能特性：例如规定-5V表示0 +5V表示1（电压信号代表数字信号）
4. 过程特性：（规程特性）规定建立连接时各个部件的工作步骤

2、数据通信的基础知识

数据通信系统的三大部分

• 源系统（发送端、发送方）

1. 源点：原点设备产生要传输的数据，又称为源站或信源

2. 发送器：通常，源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输，典型的发送器就是调制器

• 传输系统（传输网络）

• 目的系统（接收端、接收方）

1. 接收器：接受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，典型的接收器就是解调器

2. 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出，又称为目的站或信宿

一些常用术语：

通信：目的是传送信息，如话音、文字、图像、视频等

数据：是运送信息的实体，通常是有意义的符号意义

信号：是数据的电气或电磁的表现，根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类：

1. 模拟信号（连续信号）——代表信息的参数的取值是连续的

2. 数字信号（离散信号）——代表信息的参数的取值是离散的

码元：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形

有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送消息的媒体。
三种基本信息交互方式：

1. 单向通信（单工通信）–只能发送或只能接收
   例子：电视塔发送电视信号，但是电视无法向电视塔发送信号
2. 双向交替通信（半双工通信）–双方可以收发，但是不能同时发送或同时接收
3. 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
   例子：打电话
   计算机通信大多数是半双工和全双工通信

• 基带信号（baseband）：来自信息源的信号。
• 带通信号（band pass）：把基带信息经过载波调制后的信号（载波调制就是把信号的频率搬到较高的频段，以便传输）

1. 基带调制（编码）
   
   归零码：一次信号结尾始终为0电压
   不归零码：一次信号结尾不需要归零
   单极性：只有正向和0电压 双极性：有正负电压
   曼彻斯特编码：低电平跳高电平代表0 高电平条低电平代表1，可以代表没有数据传输（用电平变化代表数据传输）
   差分曼彻斯特编码：0和1没有固定高低电平，后面的信号是几取决于前面的信号
2. 带通调制
   

信道的极限容量

信号波形在实际信道传输时，会受到带宽受限、噪声、干扰等引起失真。

1. 奈氏准则：在理想条件下，为了避免码间串扰（码元太短，无法识别高低电平），码元传输速率是有上限的（上一章带宽可以无限增加吗例子）
2. 信噪比：信号平均功率和噪声的平均功率之比，常记S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，信噪比（dB）=10*log10（S/N）
   香农公式：信道的极限信息传输速率C
   C = Wlog2(1+S/N) b/s (log2是log以2为底)
   W：信道带宽（单位Hz）
   S：信道内所传信号的平均功率
   N：信道内部高斯噪声功率

香农公式的结论：

1. 信道的带宽或信道的信噪比(S/N)越大，信息极限传输速率越高，若W或S/N没有上限，则C没有上限（实际不可能）
2. 只要信息传输速率低于信道极限信息传输速率，则一定可以找到方法确保数据的无差错传输

3、物理层下面的传输媒体

两种导引型传输媒体和非导引型传输媒体，也就是有线无线

• 导引型传输媒体

1. 双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成双绞线。
2. 同轴电缆：由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。
3. 光缆：光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0

• 非导向传输媒介：
  传统的微波通信有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。

4、信道复用技术

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）。
   解释：特定的用户使用特定的频率波段，传输时采用不同频率的波段进行调制和解调，已达到区分其他数据的目的

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。
   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 ：
   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。
   

3. 统计时分复用 STDM(Statistic TDM)
   与时分复用类似，只不过每次发送时标记是哪个用户发出的，解析时按标记解析。可以避免线路资源的浪费
   

4. 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
   波分复用就是光的频分复用。
   

5. 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)
   常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
   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。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。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

5、宽带接入技术

1. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线（就是通过电话线上网）
   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。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。
   ADSL实现原理采用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。
   
2. 光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)（就是利用有线电视线路上网）
   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。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。
   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结构示意图
   
   3.光纤到户技术FTTH
   就是一根光纤直接到家庭。即光接入网的应用类型之一，光网络单元(ONU)放在用户家中。