物理层_计算机网络

物理层基本概念　　

　　物理层向上毗邻数据链路层，向下直接与传输介质相连接。它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用

　　物理层为传送二进制比特流数据而激活、维持、释放物理连接所提供的机械、电器和规程特性

　　物理层在数据链路层和传输介质之间起了屏蔽和隔离作用，使数据链路层感觉不到物理设备和传输介质的种类差异，从而数据链路层只需要考虑本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

　　物理层的主要任务是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形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等

　　　　电器特性：指明接口电缆的各条线上的电压范围

　　　　功能特性：指明某条线出现的某一电平的电压的表示意义

　　　　过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

　　基本术语

　　　　数据：计算机可识别的任何有意义实体。运送消息的实体。

　　　　信号：数据的一种电磁编码或光编码。数据传输一种表现形式

　　　　数据传输：通过传输信道以电或光信号形式把数据从一端传到另一端

　　　　通信：利用电子等技术手段，借助电或光信号实现从一端(常称为信源或发送端)向另一端(常称为信宿端或接收端)进行信息的有效传递和交换

　　　　信源：把要传送的数据转换为原始电信号

　　　　信道：信号传输的通道，信道红自然会叠加上噪声

　　　　信宿：也称接收终端。将复原的原始信号转换为相应的信息

　　　　通信方式：数据在信道上传输所采取的方式。三种分类方式：

　　　　　　按数据代码传输顺序分为：串行传输和并行传输

　　　　　　按数据传输同步方式分为：同步传输和异步传输

　　　　　　按数据传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工传输

　　　　　　　　单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

　　　　　　　　半双工通信：通信双方都可发送信息，但不能双方同时发送或同时接收

　　　　　　　　全双工通信：通信双发可同时发送和接收信息

　　　　基带信号：即基本频带信号——来自信源的信号。如计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号都属基带信号

　　　　　　　　　基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信号不能传输这种低频分量或直流分量。因此需要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)，而使用载波的调制称为带通调制

　　　　基本带通调制方法：

　　　　　　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

　　　　信道极限容量

　　　　　　码元传输速率越高，或信号传输距离越远，信道的输出端波形失真越严重

　　　　　　限制码元信道上传输速率的因素：

　　　　　　　　信道能够通过的频率范围：

　　　　　　　　　　任何信道，码元传输速率有上限，否则会出现码间串扰问题，使得接收端对码元无法识别

　　　　　　　　　　信道频带越宽，能通过信号高频分量越多，即可用更高速率传送码元而不出现码间串扰

　　　　　　　　　　奈奎斯特准则(奈氏准则)：二进制数据信号的最大传送速率Rmax与通信信道带宽W(W=f，单位Hz)的关系为Rmax=2·f (bps)

　　　　　　　　信噪比

　　　　　　　　　　香农用信息论推到出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

　　　　　　　　　　在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，信道的极限信息传输速率Rmax可表达为Rmax = Wlog2(1 + S/N) bps W为信道的带宽(Hz为单位)；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的随机噪声功率。S/N为信噪比

　　　　　　　　　　香农公示表明

　　　　　　　　　　　　信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高

　　　　　　　　　　　　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方法实现无差错的传输

　　　　　　　　　　　　若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(当然实际不可能)，则信道极限信息传输速率Rmax也没有上限

　　　　　　　　　　　　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

　　　　　　　　　　注意：对于频带带宽已确定的信道，如果信噪比不能再提高，而且码元传输速率也达到了上限值，还可以用编码方法让每一个码元携带更多比特的信息量来提高信息的传输速率

　　传输介质

　　　　传输介质就是数据传输系统中在发送器和接收器中间的物理通路。传输介质可分为两大类：有线传输介质和无线传输介质

　　　　传输介质的特性

　　　　　　物理特性：传输媒体的材质特性(物质构成、机械特性、温度性能、化学特性、集合制度、物理性质)

　　　　　　传输特性：传输容量、传输频率范围、衰减特性

　　　　　　连通性：点对点？多点连接

　　　　　　地理范围：不用中间设备并将失真限制在允许范围内，整个网络所允许的最大距离

　　　　　　抗干扰性：抗噪音、电磁干扰

　　　　　　相对价格：线路 + 元件 + 安装 + 维护 = ？

　　　　　　线路使用方面：1条？多条？定时、同步；控制信号、数据信号、定时信号怎么区分？

　　　　有线介质

　　　　　　双胶线

　　　　　　屏蔽双绞线STP

　　　　　　无屏蔽双绞线UTP

 

 　　　　　　同轴电缆

　　　　　　　　50欧同轴电缆、75欧同轴电缆

 

　　　　　　光缆

　　　　　　　　抗干扰强、低损耗、宽频带、高速率、低误码率、安全性好、体积小重量轻

　　　　　　　　多模光纤与单模光纤

　　　　无线介质

 

 　　　　优点：

　　　　　　波段频率很高且宽，通信信道容量很大　　

　　　　　　工业干扰和自然干扰对微波通信干扰小，因而传输质量高

　　　　　　与同容量和长度的电缆载波通信比较，建设投资少，见效快，易于跨越山区江河

　　　　缺点：

　　　　　　只能直线传播，不能绕过障碍物　　

　　　　　　也会也受恶劣天气影响

　　　　　　与电缆通信系统相比，屏蔽性和保密性差

　　　　　　大量中继站使用和维护需要大量人力物力

　　　　卫星通信使用同步卫星作为中继器一种微波接力通信

　　　　卫星通信不受距离限制，通信费用和距离无关。

　　　　和微波接力通信相似，卫星通信频带很宽，容量很大，信号受干扰也很小，通信稳定

　　　　卫星通信非常适合广播通信，因为覆盖面很广。但安全性较差

　　信道复用技术

　　　　复用指发送端将多路低速信号合并为一路高速信号，在一条高速信道上传播，在接收端再分解为多路低速信号。(复用器、分用器)

　　频分复用

　　　　一条通道线路上设置多个信道，每个信道以不同载波频率调制。各个载波不可重叠，一条信道可同时独立传输多路信号。

　　　　频分复用所有用户同样时间占用不同频率资源。

 

　　时分复用

　　　　将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用用户在每一个TDM帧汇总占用固定序号的时隙。

　　　　每个用户占用的时隙周期性出现(周期为TDM帧的长度)

　　　　TDM信号也称为等时信号

　　　　时分复用所有用户不同时间占用同样的频带宽度

 

　　　　时分复用可能造成线路资源的浪费

 

　　　　统计时分复用STDM

 　　　　波分复用

　　　　　　波分复用是光的频分复用

　　　　　　在一根光纤上复用两路光载波信号，这种复用方式称为波分复用WDM

　　　　　　在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM

　　　　　　目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 

 

 　　码分复用

　　　　常称码分多址CDMA。每个用户可同时间使用同频带进行通信

　　　　各用户使用特殊不同码型，因此不会彼此干扰

　　　　抗干扰强，不易被敌人发现

　　　　CDMA中，每个比特时间划分为m个短间隔，称为码片。m通常为64或128

宽带接入技术

　　xDSL技术

　　　　就是用数字技术对模拟电话用户线进行改造，使它可承载宽带业务

　　　　xDSL技术将0-4kHz地段频谱留给电话使用，把未被利用的高端频谱留给上网使用

　　　　DSL(Digital Subscriber Line)数字用户线。x表示数字用户线上实现的不同宽带方案

　　　　　　ADSL非对称数字用户线　　HDSL高速数字用户线　SDSL：1对线数字用户线　　VDSL：甚高速数字用户线　　DSL：使用ISDN综合业务数字网用户线　　RADSL：速率自适应DSL，是ADSL一个子集，可自动调节线路速率

　　极限传输距离

　　　　用户线越细，信号传输时衰减越大，最高数据传输速率与实际用户线上信噪比密切相关

　　ADSL特点

　　　　上下行带宽不对称(上行指上传，下行指下载)

　　　　ADSL在用户线(铜线)两端各安装一个ADSL调制解调器

　　　　我国采用离散多音调调制技术。这里多音调指多载波或多子信道

　　光纤同轴混合网(HFC网)

　　　　HFC网是在目前覆盖面最广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网

　　　　HFC网课传送CATV，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有CATV网是树形拓扑结构同轴电缆网络，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网进项改造，特点如下：

　　　　　　HFC网主干线路采用光纤，将原CATV网汇总同轴电缆主干部分改换成光纤，并使用模拟光纤技术

　　　　　　在模拟管线中采用光的振幅调制AM，这比使用数字管线更为经济

　　　　　　模拟光纤从头端连接到光纤结点，即光分配结点ODN。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。

　　光纤同轴混合网(HFC网)

　　　　HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能

　　　　每个家庭都要安装一个用户接口盒UIB，要提供三种连接，即：

　　　　　　使用同轴电缆连接到机顶盒，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

　　　　电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。最大特点就是传输速率高。且不是成对使用，指安装在用户端。

　　FTTx技术(光纤到...)

　　　　FTTH光纤到家　　FTTB光纤到大楼　　FTTC光纤到路边