一，物理层基本概念

计算机网络的物理层就是要解决计算机在各种传输媒体尚传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，不需要考虑网络具体的传输媒体是什么。

物理层为了解决在各种传输媒体尚传输比特0和1的问题，主要有以下四个任务：

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置。
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线出现的电压的范围
3. 功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压表示何种意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

因为传输媒体的种类很多，物理连接方式也很多，故物理层协议种类众多，但每种物理层协议都包含了上述四个任务的具体内容

规程：用于物理层的协议。

二，物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层！

计算机网络的传输媒体主要分为两种：

1. 导引型传输媒体
   • 双绞线
   • 同轴电缆
   • 光纤
   • 电力线
2. 非导引型传输媒体
   • 无限电波
   • 微波（wifi就是微波通信）
   • 红外线
   • 可见光

2.1 导引型传输媒体

2.1.1 同轴电缆

同轴电缆特点：

• 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

• 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量

同轴电缆示意图：

同轴电缆分为两种：

1. 基带同轴电缆（50欧姆）

   用于数字传输，过去用于局域网

2. 宽带同轴电缆（75欧姆）

   用于模拟传输，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上采用双绞线作为传输媒体。

2.1.2 双绞线

双绞线：把两根互相绝缘的铜并排放在一起，按照一定规则绞核。

双绞线是最古老的，最常用的传输媒体传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里

双绞线分为两种：

1. 无屏蔽双绞线UTP电缆

   

2. 屏蔽双绞线STP电缆

   和无屏蔽双绞线电缆的区别是增加了金属丝编制的屏蔽层。增加了抗电电磁干扰能力。

   

绞核的作用：

1. 抵御部分来自外界的电磁波干扰
2. 减少相邻导线的电磁干扰。

常用双绞线的类别，带宽和典型应用：

2.1.3 光纤

由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤示意图：

光纤分为两种：

1. 多模光纤

   可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。

   直径一般为50微米或62.5微米

   

2. 单模光纤

   若光在纤芯中一直向前传播而不发生全反射，这种叫单模光纤

   直径为9微米

   

光纤的工作波长：

• 0.85微米（衰减较大）
• 1.30微米（衰减较小）
• 1.55微米（衰减较小）

光纤的优缺点：

优点	缺点
通信容量大	割接光纤需要专用设备
传输损耗小，远距离传输时更加经济	广电接口价格较贵。
抗雷电和电磁干扰性好。
无串音干扰，保密性好，不易被窃听
体积小，重量轻

光在光纤中传输的基本原理：光的全反射

• 当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体，折射角大于入射角，因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射会纤芯

多模光纤的优缺点：

优点	缺点
对光源要求不高，可采用发光二极管发射光源，采用光电二极管接收光源	由于光的色散问题，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这个造成了 多模光纤只适合近距离传输（建筑物内）

单模光纤的优缺点：

优点	缺点
没有模式色散，故不存在脉冲展管问题。适合长距离传输且衰减小	对光源要求高。用激光发射器发射光源，使用激光检波器接收。
	制作成本高

2.1.4 电力线

利用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。

2.2 非导引型传输媒体

电磁波频普：

现在的无线局域网就使用的是2.4GHz和5.8GHz频段。

要使用某一段无线电频普进行通信。需要得到本国政府有关无线电频普管理机构的许可证。

公共的无线电频段：ISM(Industrial Scientific Medical)频段，现在的无线局域网就使用其中的2.4GHz和5.8GHz频段。

2.2.1 无线电波

无线电波的低频和中频频段：主要依靠地面波进行传输。

无线电波的高频和甚高频频段：主要依靠电离层的反射。

2.2.2 微波

微波的频率范围为：300MHz_{300GHz(波长1m}1mm)，但主要使用2~40GHz的频率范围。

微波在空间主要是直线传播。

因为微波会穿透电离层进入宇宙空间。故传统微波通信有两种方式：

1. 地面微波接力通信

   因为微波在空间是直线传播的，地球表面是个曲面，故传播距离受限，一般为50KM，但使用100m高的天线塔，传播距离就扩大到100KM。

   为实现超远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干中继站。

   中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力。

   

2. 卫星通信

   常用卫星通信的方法：

   1. 在地球站之间利用位于越3万6千里高的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信

   特点：通信距离远，传播时延大，一般为250~300ms

   

   2. 低轨道卫星通信系统，构成空间高速链路。

      

2.2.3 红外线

红外线通信属于，点对点无线传输。

特点是：直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率低

2.2.4 可见光

还处于实验研究阶段，但是特点：传输数据大，传输快！

三，传输方式

3.1 串行传输

串行传输指数据是一个比特一个比特依次发送的。

因此在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可

计算机网络之间采用串行传输方式

3.2 并行传输

并行传输指依一次发送n个比特，而不是一个比特。

因此在发送端和接收端之间需要n条传输线路。

计算机内部采用并行传输方式

优点：速度是串行传输的n倍

缺点：成本高

3.3 同步传输

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1

由于不同设备的时钟频率存在一定差异，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错误位。

实现收发双方时钟同步的方法有：

1. 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。

   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。

   接收端按照时钟同步信号节奏来接收数据。

2. 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）

3.4 异步传输

异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的间隔是不固定的。接收端只在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。

因此通常在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

异步：

• 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
• 字节中每个比特仍然要同步（各比特持续时间是相同的）

3.5 单向通信（单工）

单向通信：通信双方只有一个数据传输方向。

单向通信只需要一条信道

例如：无线电广播

3.6 双向交替通信（半双工）

双向交替通信：通信双方可以相互传递数据，但不能同时进行。

双向交替通信需要两条信道（每个方向各一条）

例如：对讲机

3.7 双向同时通信（全双工）

双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息。

双向同时通信需要两条信道（每个方向各一条）

例如：电话

四，编码与调制

4.1 基本概念

• 消息：计算机需要处理的文字，图片，音频，视频等。

• 数据：运送消息的实体。

• 信号：数据的电磁表现。

• 基带信号：由信源发出的原始电信号。

  • 数字基带信号：消息的参数的取值是离散的。
  • 模拟基带信号：消息的参数的取值是连续的。

• 信道：一般用来表示向某一方向传送信息的媒体。

  • 数字信道：用于传输数字信号的通道或介质。
  • 模拟信道：用于传输模拟信号的通道或介质。

• 码元：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。

  一个码元就相当于物理上一个周期的完整波形图。

  简单来说，码元就是构成信号的一段波形。

  

• 调制的原因：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，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 。

• 调制分为两大类：

  1. 基带调制(编码）：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码
  2. 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

• 带通信号：经过载波调制后的信号。

• 载波：指用于传输信息的基本信号波形。

4.2 常用编码

4.2.1 不归零编码

不归零编码：正电平代表 1，负电平代表 0。

不归零：指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。

不归零编码需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步，从而让接收方按时钟信号得节拍判断码元。

但对于计算机网络而言，宁愿利用这根传输线传输数据信号而不是传输时钟信号。故不归零编码存在同步问题，计算机网络不采用这个编码。

4.2.2 归零编码

归零编码：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0

每个码元传输接收后信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用归零方式编码在了数据之内，这称为自同步信号。

优点：自同步

缺点：归零编码中大部分数据带宽都用来传输归零而浪费了，故编码效率低

4.2.3 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

传统以太网使用的就是曼彻斯特编码，10Mb/s

码元的中间时刻的跳变即表示时钟又表示数据。

4.2.4 差分曼侧斯特编码

差分曼侧斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

1. 跳变仅表示时钟
2. 码元开始处电平是否发生变化表示数据。

4.3 基本调制方法

就是物理中波的三个物理量的调制。即对波的振幅A，频率F，相位P进行调制存在三种调制方法，分别为：

1. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。
2. 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。
3. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化

具体如下图：

使用基本调制方法，1码元只能包含1个比特信息。

解决方法：采用混合调制方法。

4.4 混合调制

因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位中的一个。

通常情况下，相位和增幅可以结合起来一起调制，称为正交增幅调制QAM

QAM举例：

• QAM-16：
  • 这种调制方法调制出来的波形有12种相位
  • 每种相位有1或2种振幅可选。
  • 可以调制出16种码元（波形）每种码元可对应表示4个比特
  • 每个码元与四个比特的对应关系不能随便定义，采用格雷码的对应关系。

格雷码：任意两个相邻码元只有1个比特不同。

五，信道的极限容量

信号在传输中会失真。

码间干扰：波形失去了码元之间的清晰界限的现象。

失真的原因主要跟以下四个因素有关：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

5.1 奈氏准则

奈氏准则：在假定的条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

• \[理想低通信道的最高码元传输速率=2 \times W \quad(Baud) \]

• \[理想带通信道的最高码元传输速率=W \quad (Baud) \]
  • W：信道带宽（单位为Hz）
  • Baud：波特，即码元/秒

• 码元传输速率又叫波特率，调制率，波形速率或符号速率。它与比特有一定的关系：

  • 当1个码元只携带1比特信息量时，则波特率(码元/秒) 与 比特流(比特/秒)在数值上是相等的。
  • 当1个码元携带n个比特信息量时，则 波特率转换为比特流时，数值要乘n

• 要提高信息传输速率（比特流），就必须设法使每一个码元能够携带更多比特的信息量。这需要采用多元制。

• 实际信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的上限数值。

• 设可调整的不同基本波形或码元数量为x，则每个码元可携带的比特数量=log₂X

  比如说某链路采用4个相位，每个相位具有4种增振幅的QAM调制技术。则可调制出4 x 4 =16个不同的基本波形（码元）

  采用二进制对这16种不同的码元进行编码，需要4个比特（4=log₂16)，即每个码元可携带的信息量为4

5.2 香农公式

香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

• c：信道的极限信息传输速率（单位：b/s）

• W：信道带宽（单位：Hz）

• S：信道内所传信号的平均功率

• N：信道内的高斯噪声功率

  • S/N：信噪比，使用分贝db作为度量单位
    \[信噪比=10 \times log_{10}(\frac{S}{N}) \]

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

• 在实际信道所能达到的信息传输速率还要比该公司的极限传输速率低不少。

  因为在实际信道中，信号还要收到其他一些损伤，如各种脉冲干扰等

综上所述：要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比

六，信道复用技术

6.1 信道复用技术的基本原理

• 复用就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。

• 当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。

• 复用技术原理图：

  

6.2 常见的信道复用技术

6.2.1 频分复用FDM

• 频分复用特点：频分复用的所有用户同时占据不同的频带资源发送数据。

• 隔离带的作用：防止造成子信道间的干扰。

6.2.2 时分复用TDM

• 时分复用特点：将时间划分为一段段等长的时隙，每一个时分复用的用户在其相应的时隙内，独占传输媒体的资源进行通信。

• 简述：时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带。

• 时分复用的各用户所对应的时隙构成了时分复用帧又叫TDM帧，每个用户占用的时隙是周期性出现的，其周期就是TDM帧的长度

TMD帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层对等实体间的逻辑通信帧是不同的概念。

6.2.3 波分复用WDM

• 波分复用就是光的频分复用

• 根据频分复用的设计思想，可在一条光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。

• 目前可以在一条光纤上复用80路或更多的光载波信号，因此这种复用技术又叫密集波分复用DWDM

• 物理原理：

  

6.2.4 码分复用CDM

• 码分复用常称为码分多址CDMA 它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术.

• 与FDM和TDM不同,CDMA的每个用户可以在相同时间使用相同的频带进行通信

• CDMA最初用于军事通信,具有很强的抗干扰能力,频谱类似于白噪声,不易被发现.

• 码片：CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片,称为码片.

• CDMA的每个站点都被指派唯一的一个m比特码片序列

  • 某个站要发送比特1,则发送它自己的m比特码片序列

  • 某个站要发送比特0,则发送它自己的m比特码片序列的反码.

    举例：假设给某个站指派8比特码片序列01011001

    该站发送比特1 发送自己的8比特码片序列 01011001

    该站发送比特0 发送自己的8比特码片序列的反码 10100110

• 码片向量：将码片序列中的比特0记为-1而比特1记为+1,可写出码片序列对应的码片向量.

  在上例中,该站的码片向量为:(-1+1-1+1+1-1-1+1)

• 如果有两个或多个站同时发送数据,则信道中的信号就是这些站各自发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加.

  为了从信道中分离出每个站的信号,给每个站指派码片序列时需遵守以下规则

  1. 分配给每个站的码片序列必须各不相同, 实际常采用伪随机码序列
  2. 分配给每个站的码片序列必须相互正交,即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为0

令向量A表示站A的码片向量，向量B表示站B的码片向量

俩个不同站A和B的码片序列相互正交，就是向量A和向量B的规格化内积为0

衍生公式：

• 任何站的码片向量，与其他各站得码片反码向量的规格化内积为0

• 任何站的码片向量与该站自身码片向量的规格化内积为1

• 任何站的码片向量与该站自身码片反码向量的规格化内积为-1

举例：

七，宽带接入技术（扩展）

重点掌握ADSL技术的作用，概念，FTTX技术的概念和作用。

7.1 ADSL技术

• 用户要连接到互联网，必须先连接到某一个ISP

• 在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线****通过调制解调器连接到 ISP 的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到 56 kbit/s。**

• 美国联邦通信委员会 FCC 认为只要双向速率之和超过 200 kbit/s 就是宽带。

• 从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：

  • 有线宽带接入
  • 无线宽带接入

• 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是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。（重点）

• 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。

• ADSL 技术就把 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。

• DSL是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。

• DSL的几种类型：

  • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
  • HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
  • SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线
  • VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
  • DSL (Digital Subscriber Line) ：数字用户线。
  • RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。

• ADSL 的特点：（重点）

  • 上行和下行带宽做成不对称的

    上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。

  • ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。

  • 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。

    这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

  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。

• ADSL的数据率：由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。

• ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。

• ADSL的组成：

  

• 第二代ADSL：

  • 包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）
  • 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
  • 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
  • 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

7.2 光纤同轴混合网(HFC网)

• HFC (Hybrid Fiber Coax) 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。（重点）

• 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。（重点）

• HFC 网对 CATV 网进行了改造。 （重点）

• 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网采用结点体系结构：

  

• HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带。

• 用户接口盒 UIB (User Interface Box) 要提供三种连接，即：

  • 使用同轴电缆连接到机顶盒 (set-top box)，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。

  • 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。
  • 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

7.3 FTTx技术

• FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。（重点）
• FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：
  • 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
  • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
  • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。