计算机网络 第二章 物理层
本章最重要的内容如下：
（1）物理层的任务
（2）数据通信的几个基本概念
（3）几种常用的信道复用技术
（4）几种常用的互联网接入技术
1、物理层的基本概念
物理层主要考虑的是怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
物理层协议（物理层规程）的主要任务是确认与传输媒体的接口有关的一些特性（如机械特性、电气特性、功能特性、过程特性）
数据在计算机中多采用并行传输方式，但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输
物理连接方式有很多：点对点、多点连接、广播连接
传输媒体的种类：双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆、各种波段的无线通信
2、数据通信的基础知识
一个数据通信系统可以划分为三大部分：源系统（发送端、发送方）、传输系统（或者传输网络）、目的系统（接收端、接收方）
源系统一般包括：源点（源点设备产生要传输的数据，也可称为源站、信源，从键盘上输入汉字，PC产生输出的字节流）、发送器（调制器 源点生成的数字比特流要通过发送器编码之后才可以在传输系统中进行传输）
目的系统一般包括：接收器（接受传输系统传送过来的信号，并把它转化成能够被目的设备处理的信息 调解器）、终点（终点设备从接收器获取传输而来的数字比特流，然后进行信息输出，把汉字在PC屏幕上输出）
通信的目的是传送消息（话音、文字、图像等）、数据是运送消息的实体、信号则是数据的电气或电磁表现
根据信号中代表的消息的的参数的取值方式不同，信号可以分为两大类
模拟信号（连续信号）消息的参数的取值是连续的
数字信号（离散信号）消息的参数的取值是离散的，在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形成为码元
信道：用来表示向某方向传送信息的媒体，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道，也可以包含多条信道
利用信道传输数据，可以分为模拟信道（传送模拟信号）和数字信道（传送数字信号）
数字数据转换成数字信号：编码（离散）
数字数据转换成模拟信号：调制（连续）
常用编码方式：归零制（正1负0）、不归零制（正1负0）、曼彻斯特编码（上跳0下跳1）、差分曼彻斯特编码（中心始终要跳变，位开始边界有跳变为0，没有为1）
自同步能力：能从信号波形本身中提取信号时钟频率的能力
常用的调制方法：
基带信号（基本频带信号）：矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量
基带传输：在数字信道上直接传输基带信号的方法（基带信号往往包含比较多的低频成分，甚至有直流成分）
因此必须对基带信号进行调制，使他在模拟信道中传输，很多情况下，可以使用载波进行调制，把基带信号的频率范围内搬移到较高的频段中以便于在信道中运输
经过调制后的信号成为带通信号（仅在某一段频率范围内能够通过信道） 使用载波的调制称为 带通调制
常用的带通调制有三种：调幅（ AM载波的振幅随基带数字信号而变化 ASK 幅移键控）、调频（FM载波的频率随基带数字信号而变化 FSK 频移键控）、调相（PM载波的初始相位随及基带数字信号而变化 PSK 相移键控）
码元：承载信息的基本信号单位
码元传输速率：单位时间内能够传输的码元数
限制码元在信道上的传输速率的因素有：
①信道可以通过的频率范围
通过奈氏准则可以知道：在任何信道中，码元传输速率是有上限的，传输速率超过此上限，会出现严重的码间串扰的问题，以至于在接收端没有办法正确识别在发送方所发送的码元
波特：码元传输的速率单位，说明是每秒传多少个码元
比特：信息量的单位
要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量（多元制的调制方法）
②信噪比
香农公式：C=Wlog2 （1+S/N） bit/s
W为信道的带宽（hz）；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
香农公式表示：信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
在信道带宽一定的情况下，需要提高信道传输速率则需要提高信道中的信噪比
3、传输方式
并行传输和串行传输
并行传输：指的是一次性发送多个比特，发送端和接收端需要有n条路（成本高，仅适用于短距离传输）
串行传输：指的是一个比特一个比特依次发送，发送端和接收端只需要有一条路（远距离）
异步传输和同步传输
异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔是不一定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步
同步传输：数据块以稳定的比特流的形式进行传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和结束位（实现收发双方时钟同步的方法主要有 外同步和内同步）
外同步是指在发送端和接收端之前提供一条单独的时钟线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号，接收端根据接收到的时钟同步信号来校正时间基准，实现收发双方的同步
内同步是指发送端将时钟同步信号编码到发送数据中来一起传输，如曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都自含时钟编码，具有自同步能力
4、通信双方信息交互的方式
单向通信（只需要一条通道）：单工通信，只能有一个方向的通信是而没有反向的交互，如无线电广播或有线电广播以及电视广播
双向交替通信（两个方向各一条）：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）这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来
双向同时通信（每个方向各一条）：全双工通信，通信的双方可以同时发送和接收信息
△ 有时候，人们也用“单工”来表示“双向交替通信”，如单工电台
5、物理层下面的传输媒体
传输媒体也可以称为传输介质和传输媒介，他就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路
传输媒体可以分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体
导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播
非导引型传输媒体就是指的是自由空间，电磁波的传输就是称为无线传播
6、导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤
非导引型的传输媒体：利用无线电波在自由空间就可以较快的实现多种通信（但其很容易被干扰、保密性差）
无线传输可以使用的频道很广：
传统的微波通信主要有两种：地面微波接力通信和卫星通信
短波通信（高频通信）主要是靠电离层的反射
卫星通信（同步卫星、低轨道卫星）
红外通信、大气激光通信
7、信道复用技术
复用是通信技术中的一个重要概念，复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号
当网络中传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可以利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽
频分复用：FDM ）就是将传输线路的频带资源划分成多个子频带，形成多个子信道
时分复用：TDM） 技术将传输线路的带宽资源按照时间轮流分配给不同的用户，每个用户只在分配的时间里面使用线路传输数据
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频带资源
时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带资源
在进行通信的时候，复用器和分用器成对使用；在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道，分用器则是把高速信道传送过来的数据进行分用，分别交到相应的用户
统计时分复用：STDM）是一种改进的时分复用，能明显的提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。
统计复用被称为异步时分复用，普通的时分复用被称为同步时分复用
统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但是从平均的角度上来看，这两者是平衡的
使用统计时分复用的集中器也叫智能复用器，它能够提供整个报文的存储转发能力，通过排队方式使用户更合理地共享信道
△TDM和STDM都是在物理层传输的比特流中所划分的帧
8、波分复用
波分复用：WDM）就是光的频分复用
密集波分复用：DWDM）在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，可以做到几十路或者更多路的光载波信号
9、码分复用
码分复用：CDM）该技术主要用于多址接入（但是书上内容更常用的是码分多址 CDMA）
每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰
这种系统发送的信号有很强的的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现
使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的 m bit码片序号，一个站需要发送比特1，则发送它自己的 m bit码片序列，如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码
扩频通信通常有两类：一类是直接序列，如码片序列，记作DS-CDMA；另一类是跳频，记为FH-CDMA
CDMA系统的一个重要的特点就是这种体制给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须正交，在实用的系统中使用伪随机码序列
10、数字传输系统
将模拟电话信号转化成数字信号目前采用的技术是脉冲编码调制：PCM）
国际上有两个互不兼容的PCM复用速率标准，北美的24路PCM（T1 1.544Mbit/s）和欧洲的30路PCM（E1 2.048Mbit/s）我国采用的是E1
早期的数字传输系统存在着很多缺点：速率标准不统一、不是同步运输
为解决上面问题，美国推出了一个在光纤传输基础上的数字传输标准，即同步光纤网 SONET）
以SONET为基础，推出了同步数字系列 SDH）
SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源
SDH/SONET传输网是一个基于 SDH/SONET标准的同步TDM多路复用网络，可以方便地位其他业务网络提供各种所需带宽的电路，并复用底层传输媒体的带宽，其中最典型的就是传输媒体就是光纤
11、光网络
全光网：AON
光传送网：OTN
自动交换光网络：ASON
12、互联网接入技术
通常，人们将端系统连接ISP边缘路由器的物理链路及相关设备的集合成为 接入网AN）
从实现技术的角度来看，目前的接入技术有电话网拨号接入、数字用户线接入、光纤同轴混合网接入、光纤接入、以太网接入和无线接入
电话网接入：这种方式通过拨号调制解调器在用户计算机与电话网另一端的ISP接入器之间建立一条话音信道
数字用户线（DSL）接入;数字用户线就是电话运营商提供的一种住宅宽带接入业务，是目前中国用户的主要接入方式，实现数字用户线有多种不同的方案，如非对称数字用户线（ADSL）、高速数字用户线（HDSL）、甚高速数字用户线（VDSL）；其中ADSL是目前住宅用户使用的最多的DSL技术
有三部分组成：数字用户线接入复用器（DSLAM），用户线和用户家的一些设施
