计算机网络笔记—物理层

物理层的基本概念

• 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
• 物理层的主要任务描述为：确定传输媒体的接口的一些特性，即
  • 机械特性：例如接口形状、大小、引线数目
  • 电气特性：例如规定电压范围（-5V到+5V）
  • 功能特性：例如规定-5V表示0，+5V表示1
  • 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时哥哥相关部件的工作步骤

数据通信的基础知识

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相关术语

通信的目的是传送信息

数据：运送消息的实体

信号：数据的电气的或电磁的表现

• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的

• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的

码元（code）（波形）

• 在使用时间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就成为码元。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号类来表示一个二进制数字，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。
• 1码元可以携带n bit 的信息量（多位二进制）。比如电压是0-7V，不同的整数电压，则可以将0-7写成二进制000-111，这样便可以携带3 bit 的信息量

有关信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。

• 所以咱们说平常的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

单项通信（单工通信）

• 只能由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（baseband）信号和带通（band pass）信号

基带信号（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
• 基带信号往往包含由较多的低频成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制

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）

计算机网络采用的传输方式

近距离传输 - 基带传输方式

• 由于在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。

远距离传输 - 带通传输方式（调制 -> 传输 -> 解调）

调制方式

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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

常用编码

单极性不归零码

双极性不归零码

单极性归零码

双极性归零码（在一个高电位周期中，电压会首先到高电位，再归零）

曼彻斯特编码

• bit中间信号低-高跳 - 0
• bit中间信号高-低跳 - 1
• 采用曼彻斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样（周期开始时和结束时）才能得到一个bit，但是它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输（信号一直是平的）

差分曼彻斯特编码

• bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0
• bit中间有信号跳变，bit和bit之间无信号调表，表示下一个bit为1
• 不是由波形本身决定，而是由周期之间电波是否由跳变来决定
• 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码

信道极限容量

• 实际的信道带宽受限，有噪声，干扰和失真

奈氏准则（码元传输速率受奈氏准则的限制）

• Nyquist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）称为不可能
• 如果信道的频率越宽，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

香农公式（信息传输速率受香农公式的限制）

• 香农（Shannon）推导除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可以表达为

KaTeX parse error: Undefined control sequence: \mbox at position 18: …=W log_2(1+S/N)\̲m̲b̲o̲x̲{ }\mbox{ }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
  • S/N为信噪比

• 香农公式表明：信道的带宽或信道的信噪比越大，则信息的极限传输功率就越高。实际信道上能够达到的信息传输速率要比极限传输速率低不少

物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

• 导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播
• 常用的有双绞线（无屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP）、同轴电缆、光缆
• 同类设备相连一般要使用交叉线；不同类设备相联一般使用直通线（有线序）

非导向传输媒体

• 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

无线传输

• 无线传输所使用的频段很广

短波通信

• 主要靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差

微波通信

• 微博在空间中主要是直线传播，如地面微波通信，卫星通信

电磁波频谱

物理层设备——集线器（hub）

• 集线器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
• 所有计算机共用带宽

信道复用技术

• 复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念

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频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）

• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始自终都占用这个频带
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

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时分复用（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。
• 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

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不足

• 时分复用技术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。

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统计时分复用（Statistic TDM）

• 在划分时对每个通道来的信息做上标记

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波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）

• 波分复用就是光的频分复用

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码分复用（Code DIvision Multiplexing）

• 常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiplexing Access）
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会干扰
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力

数字传输系统

脉码调制PCM体制

• 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。
• 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E1标准

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同步光纤网 SONET 和 同步数字系列 SDH

宽带接入技术

xDSL技术（使用电话线）

• xDSL技术就是引发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
• 标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz
• xDSL技术就是把0~4kHz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。而x则表示实现的不同宽带方案

ADSL技术（非对称数字用户线技术）

• ADSL技术即非对称数字用户线技术。所谓非对称，是指上行和下行单宽做成不对称的
• 上行是指用户到ISP，下行是指ISP到用户
• 我国目前采用的方案是**离散多音调（DMT， Discrete Multi-Tone）**调制技术

离散多音调DMT技术

• DMT调制技术采用频分复用的方式，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25各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4kHz带宽，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

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ADSL的组成

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光纤同轴混合网HFC（Hybird Fiber Coax）（使用有限电视网络）

• HFC是在目前覆盖面很广的有限电视网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项传输。而HFC网需要对CATV网进行改造
• 有很宽的频带

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FTTx技术

• 光纤到家FTTH技术（光纤一直铺设到用户家庭）
• 光纤到大楼FTTB技术
• 光纤到路边FTTC技术