计算机网络 基础学习笔记（物理层） 夜车星繁的博客

      2019/5/8

一、物理层的基本概念：

1. 物理层的主要功能是考虑如何在传输媒体上传输数据比特流
2. 向数据链路层屏蔽硬件设备和传输媒体的差异
3. 物理层规程（协议）的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

　　　　　　机械特性：指明接口的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等

　　　　　　电气特性：指明电压的范围。如比特0和1分别使用多少电压表示

　　　　　　功能特性：描述接口的功能，如定义接口的每一个引脚功能

　　　　　　规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

　1、数据通信的基本模型，如图：

有关信道的几个基本概念：

　　信道：表示向某一个方向传送信息的媒体　

　　从通信双方的交互方式分：

• 　　　　　　　　单向通信——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——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
• 　　　　　　　　双向同时通信——通信的双方可以同时发送和接收信息。　

　　从信道传输的信号分

• 　　　　　　　　模拟信道——传输模拟信号的信道（适合短距离通信）
• 　　　　　　　　数字信道——传输数字信号的信道（适合长距离通信）

数字信号在模拟通道上的传输：

　　数字信号必须要进过调制才能在模拟信道上传输

　　基本的带通调制方法：

• 　　　　　　　　调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化
• 　　　　　　　　调频：载波的频率随基带数字信号而变化
• 　　　　　　　　调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化

信道的极限容量：

　　任何实际信道都不是理想的，在传输信号时都会产生失真

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　有失真，但是可识别

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

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　失真大，不可识别

信噪比：

　　噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声会使接收端对码元的判断产生影响。

　　 噪声的影响是相对的，信号相对强，噪声的影响就相对小

　　信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。 信噪比（dB）=10log10(S/N)

香农公式

　　 香农公式指出了带宽受限且有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 为信道内部的噪声功率。

奈氏准则：在理想条件下，为了避免码间干扰，码元的传输速率的上限值：码元传输速率 = 2W （W是信道的带宽Hz） （码元传输速率的单位：码元/s）

提高信息的传输速率的方法：

•        用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
• 　　将信号分为2个等级，则1个码元能携带1个比特信息量
• 　　将信号分为4个等级，则1个码元能携带2个比特信息量
• 　　将信号分为n个等级，则1个码元能携带log2n个比特信息量

波特率 码元传输的速率（即每秒传输多少个码元）

比特率 数据传输的速率（即每秒传输多少个比特）

比特率= log2n波特率 （n是指分为多少个等级）

信道复用技术：

　　　　1、复用（multipexing）是通信技术中的基本概念，其好处是：共享信道，充分使用信道带宽

　　　　　　

　　　　　　1）、频分复用(Frequency Division Multiplexing) ---不同的用户占用不同的带宽资源（这里的带宽指频带宽度，单位是赫兹）

　　　　　　

　　　　　　2）时分复用(Time Division Multiplexing)

　　　　　　　　将时间划分为一段段等长的周期，每一个用户在一个周期中占用固定序号的时隙。

　　　　　　　　 每一个用户轮流交替地使用单一信道。

　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　

　　　　　　　　　　　　

时分复用会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。 

物理层主要是将数据链路层封装好的信息，转换为模拟信号，并通过介质，将其传输到终端，在终端的物理层在将其转换位上层所需的数字信号。

　　首先从模拟信号的传输说起，物理层信号通过各种模拟信号传输着，各种不规则的曲线相互交杂在一起（从时域角度来看），对于每个电信号都可以看作为一个正弦波形，多个波形的叠加形成了类似于方波一样的波形，该波形通过调制解调器变换为数字信号，通过傅里叶变换解析出在频域上不同的信号，从而通过采样和量化转变为比特位，进一步形成码元，进行传输。

　　所谓采样就是对于模拟信号在时间轴上的划分，从而形成离散的点，而在多大间隔上的划分，才能使离散的点可以完全模拟出原始信号。这里Nyquist提出了在理想情况下的最佳的间隔t = 1/2f(max)，这种最佳间隔意味着这种程度下分割出的离散的点足以还原出原始的模拟信号，<t的分割效果与其相似。然而这种理想情况下是排除了噪声的考虑，噪声的叠加，会增大f(max)的值，从而减小了时间间隔，当然这样的减小对于消息的还原是无意义的，而对于采样的量化来说，这种分割是资源上的浪费。

　　对于量化，就是将分割出的离散的点划分不同的等级，意味着要用多少位的值来表示出不同的点，所以说量化的工作就是将模拟信号数字化，从而变成了我们在电脑中用到的位。

　　对于结论数据传输速率越高，信号质量越差人尽皆知，但其中的道理是与频率以及不同速率下所能包含的谐波数有关的，部分数据的分析可以显示出，他们的变化特点，基本上就是速率与1/质量成正比。并且当速率达到一定数目其所能包含的谐波数位0，即不包含任何数据。

　　对于数据传输速率的计算考虑了理想和现实两种情况，在理想的情况下，同时也是niquest提出的计算公式v= 2Hlog2V，这里的H表示的就是信号通过低通滤波器带宽，当然部分由传输介质决定，而V表示的是得到数据经过量化后所分成的离散等级数，所以log2V算出的就是要用多少位来表示这个信号；对于现实情况，要考虑到噪声的影响，所以引进了信噪比(S/N = signal/noise)，信噪比可能很陌生，而对于分贝，相信大家一定多很熟悉，分贝是信噪比的单位：信噪比(dB) = 10lg(S/N) (dB)。基于信噪比的提出，香农提出了信道的极限信息传输速率C=Hlog2(1+S/N)(bps)。

　　下个概念就是带宽，每个网络都有自己的带宽，带宽越大意味着所接受到的信号频率就越广。现在网络带宽的控制源是滤波器，这是滤波器的参数，当带宽超过设定值时，会将高出的高频信号丢掉，将剩余的发送给接受方。一般，波频率很高的为噪声，低频波才是真正有价值的。

• 基本概述
  • 物理层的功能
    • 专注比特信号是怎样传输的，包含模拟信号和数字信号
  • 话题
    • 媒体属性：有线、光纤、无线
    • 影响因素：带宽、衰减、噪音
    • modulation schemes：比特的表示、噪音
    • 基本极限：Nyquist极限、香农极限
  • 简单连接模型
    • 速度
    • 延迟
    • 是否广播、错误率
  • 消息延迟
    • 传输延迟：将消息写进媒介的时间
    • 传播延迟：消息从媒介的一端到还有一端所用的时间
  • 数据的长度单位
    • KB MB GB
  • 延迟举例
    • 拨号上网。延迟D=5ms，传播速率R=56kbps，消息长度M=1250bytes。

      最后计算出延迟L=5ms+1250*8/(56*10^3)=184ms。

      主要是信道延迟

    • 国家之间传输。延迟D=50ms，传输速率R=10Mbps，消息长度M=1250bytes。最后计算出延迟为51ms。主要是传输延迟。
    • 长的连接或的小的带宽都会造成延迟，普通情况下仅仅有一种原因占主要部分
  • 带宽延迟积
    • 消息是有长度的
    • 带宽延时积=带宽*延时
    • 带宽延时积举例
      • 家庭光纤。跨国。R=40Mbps。D=50ms。

        最后计算出带宽延时积=250KB，也就是说一条电线上保存着250KB的数据。

• 媒介

  • 类型

    • 有线、光纤、无线

  • 有线

    • 5类UTP双绞线：常见的以太网电线。绞线是为了降低噪音

    • 同轴电缆：这样的哦线有更好的保护措施和更好的性能

  • 光纤

    • 光线是又长、又细、又纯净的玻璃

    • 有很巨大的带宽

    • 分为多膜和单膜。

      单膜的性能更好

  • 无线

    • 全部的无线信号都是广播的

    • 邻近的设备同一时候通信时会相互干扰

    • 无线举例：3G  ISM（802.11b/g/n）   Wifi（802.11a/g/n

• 信号

  • 频率的表示方法

    • 用三角函数

  • 低带宽带来的影响

    • 让脉冲变得更加圆滑，添加了推断0或1的难度，导致传输速度变慢

  • 在电线中传输

    • 信号会延迟。

      传输速度大约为2/3光速

    • 信号会衰减

    • 高频信号会被吸收

    • 噪音会增多

    • 带宽能够理解为两种，一种是电子project中的带宽，一种是网络project中的带宽。两种这两种带宽的单位不同。电子project中的带宽用Hz作为单位，而网络project中的带宽用Mbps为单位

  • 在光纤中传输

    • 比特流通过三原色进行传输

    • 信号衰减程度很低

  • 在无线中传输

    • 将信号调幅后发送

    • 传播速度是光速

    • 信号衰减速度非常快，大于1/dist^2

    • 同样频率的无线传输之间会相互干扰

    • 从信号干扰衍生出了空间重用率的概念。仅仅要不相互干扰。无线的频率是能够重用的

    • 无线传输还受到其它因素的影响。无线在空间中的传播是很复杂的，和物理环境有关

    • 某些效果仅仅出如今特定的频率中。比方微波的衍射性能强，能够绕过障碍物进行传播。

      比方802.11、3G

  • 无线的多路传播

    • 微波具有衍射特性和反射特性

    • 有些波是直接到达设备的，有些波经过反射到达了设备。两个波会叠加，有时候能增强信号。有时候削弱信号

    • 这样的现象叫做OFDM

• 调制

  • 简单的信号调制

    • 高压+V表示1。负压-V表示0

  • 其它的表示方法

    • 使用很多其它的电压表示很多其它的数据。比方一个电压表示2bit数据

  • 时钟同步

    • 假设一次发送许多的0，那么接收方无法精确知道有多少个0

    • 所以有了Manchester coder孟彻斯特编码和scrambling编码

    • 孟彻斯特就是将0替换成01，1替换成10。

  • 4B/5B

    • 固定的编码

      • 0000 -> 11110

      • 0001 -> 01001

      • 1110 -> 11100

      • 1111 -> 11101

    • 最多3个连续的0

  • NRZI编码：遇到1就改变电压，遇到0就保持原来的电压

  • Passband调制

    • baseband调制在电线中非常合适。可是在光纤/无线中无法非常好地工作

    • 将每一个比特进行调制。能够调频，调幅，调相

    • 信道的关键属性

      • 带宽B，强度S，信噪比N

      • Nyquist极限

        • 信号发送的最大速度是2B，也就是两倍带宽（电子project中的带宽）

        • 如果有V种电平，信号发送速率R = 2B log_2(V) bits/sec

      • 香农极限

        • 信道能够提供多少种电平和信噪比有关

        • 信噪比用db来表示，信造比SNR=10log_10(S/N)

        • 香农容量 C = B log_2(1+S/N) bits/sec，表示一条信道的最大传输速率

      • 有线/无线对照

        • 有线/光纤：能够有固定的传输数据速率

        • 无线：没有固定的传输数据速率

      • DSL

        • 使用电话线的高频部分进行传输

        • DSL使用passband调制

        • 上传和下载是用的是两段不同的带宽

        • 高信噪比时可能1个信号表示15个比特。低信噪比的时候可能1个信号表示1个比特