6月11日计算机网络学习笔记

一、物理层的基本概念
（一）定义
物理层（Physical Layer）是计算机网络体系结构中的最底层，主要负责处理物理介质上的信号传输。它定义了网络设备的机械、电气、功能和规程特性，确保原始数据能够在物理介质（如电缆、光纤等）上进行可靠传输。
（二）作用
物理层的主要作用是为数据链路层提供物理连接，实现比特流（bit stream）的透明传输。它关心的是如何在物理介质上传送比特流，以及如何在物理连接的两端正确地接收和发送这些比特。
（三）位置与接口
物理层位于计算机网络体系结构的底层，向上为数据链路层提供服务。它与物理介质直接相连，通过物理接口与网络设备（如网卡、路由器等）进行交互。
二、物理层的关键要素
（一）传输介质
有线介质
双绞线（Twisted Pair Cable） ：由两根相互绝缘的铜导线绞合而成，常见的有屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。UTP 是目前局域网中最常用的传输介质，具有成本低、安装方便等优点，但其传输距离相对较短（一般为 100 米），且易受电磁干扰。STP 则在 UTP 的基础上增加了屏蔽层，能有效减少电磁干扰，但成本相对较高、线缆较粗、铺设难度大。
同轴电缆（Coaxial Cable） ：由内导体、绝缘层、外屏蔽层和外护套组成。曾经广泛应用于有线电视网络和早期的以太网，具有传输距离较远、抗干扰能力较强等优点，但由于其成本较高、安装复杂，逐渐被双绞线和光纤取代。
光纤（Optical Fiber Cable） ：以光导纤维为传输介质，利用光的全反射原理传输光信号。具有传输带宽大、传输距离远、抗干扰能力强、重量轻等优点，适用于长距离、高带宽的网络传输场景，如骨干网、城域网等。根据光在光纤中的传输模式，光纤可分为单模光纤（Single-Mode Fiber）和多模光纤（Multi-Mode Fiber）。单模光纤的纤芯较细，只能传输一种模式的光，传输距离远、带宽高，但成本较高；多模光纤的纤芯较粗，可传输多种模式的光，成本相对较低，但传输距离较近。
无线介质
无线电波（Radio Waves） ：用于无线广域网（WWAN），如 4G/5G 移动通信网络。其频率较低，波长较长，具有较强的穿透能力和覆盖范围广的特点，可实现大范围的移动通信。
微波（Microwaves） ：用于微波接力通信、卫星通信等场景。其频率较高，波长较短，具有较高的带宽和传输速度，但其传播距离受地球曲率限制，需建立中继站进行接力传输。
红外线（Infrared） ：用于短距离的无线通信，如早期的红外线数据传输（IrDA）。其优点是方向性强、安全性较高，但传输距离短（一般在 1 米左右），且需要通信双方的红外线设备对准。
激光（Laser） ：激光通信具有极高的带宽和传输速度，但由于激光的传播方向性极强，必须精确地对准接收设备，且容易受环境因素（如天气、障碍物等）影响，因此目前在实际应用中相对较少。
（二）信号类型
模拟信号（Analog Signal）
模拟信号是连续变化的信号，其幅度、频率或相位随时间连续变化。在传统的电话通信系统中，人声通过麦克风转换为模拟电信号进行传输。模拟信号的频谱是一个连续的范围，能够表示无限多个不同的状态，因此理论上可以携带大量的信息。然而，模拟信号在传输过程中容易受到噪声的干扰，导致信号失真，从而影响通信质量。此外，模拟信号的放大需要使用放大器，但放大器会同时放大信号和噪声，进一步降低信号的质量。
数字信号（Digital Signal）
数字信号是离散的信号，只有有限的几种取值（通常是两种，如 0 和 1），用于表示二进制数据。数字信号在传输过程中相对稳定，抗干扰能力强，即使受到一定程度的噪声干扰，只要噪声没有超过一定限度，仍能准确地恢复出原始的数字信号。此外，数字信号可以通过数字再生中继器进行再生，再生后的信号可以恢复到原始的幅度和波形，从而有效地消除了噪声的积累。目前，大多数现代通信系统（如计算机网络、数字电视等）都采用数字信号进行数据传输。
（三）编码方式
数字信号编码
曼彻斯特编码（Manchester Encoding） ：是一种同步时钟编码方式，每个比特周期内，信号在前半个周期为高电平，后半个周期为低电平，表示二进制 0；或者前半个周期为低电平，后半个周期为高电平，表示二进制 1。曼彻斯特编码的优点是具有自同步能力，接收端可以根据信号的跳变来提取时钟信号，从而实现数据的正确接收。然而，它的缺点是效率较低，因为每个比特周期内都有两次电平跳变，占用的带宽较大。
差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding） ：与曼彻斯特编码类似，但它表示的是相邻比特之间的电平变化。如果信号在比特周期的中间没有跳变，则表示二进制 0；如果信号在比特周期的中间有跳变，则表示二进制 1。差分曼彻斯特编码同样具有自同步能力，且对噪声的敏感度较低。
不归零编码（NRZ, Non-Return to Zero） ：在不归零编码中，二进制 1 用高电平表示，二进制 0 用低电平表示，信号在整个比特周期内保持相同的电平，不返回到零电平。不归零编码的优点是编码简单，带宽效率高，但在长字符串的 0 或 1 传输时，容易出现直流成分积累和时钟同步问题。
模拟信号编码
调幅（AM, Amplitude Modulation） ：通过改变载波信号的幅度来表示调制信号。在 AM 调制中，载波的频率保持不变，而其幅度随调制信号的幅度变化。AM 调制的优点是实现简单，但其抗干扰能力相对较弱，容易受到幅度过敏的噪声影响。
调频（FM, Frequency Modulation） ：通过改变载波信号的频率来表示调制信号。FM 调制中，载波的幅度保持不变，而其频率随调制信号的幅度变化。FM 调制的抗干扰能力比 AM 调制强，因为它对幅度噪声不敏感，但其调制和解调过程相对复杂，且占用的带宽较宽。
调相（PM, Phase Modulation） ：通过改变载波信号的相位来表示调制信号。PM 调制的原理与 FM 调制类似，但它是直接改变载波的相位，而不是频率。PM 调制同样具有较强的抗干扰能力，但在实现过程中需要精确的相位控制和检测技术。
（四）调制技术
数字调制技术
幅移键控（ASK, Amplitude Shift Keying） ：数字信号的不同电平对应于载波信号的不同幅度。例如，二进制 1 对应于较高的载波幅度，二进制 0 对应于较低的载波幅度（甚至为零）。ASK 调制的优点是实现简单，但其缺点是抗干扰能力较差，对幅度过敏的噪声敏感，且在传输过程中容易受到信号衰减的影响。
频移键控（FSK, Frequency Shift Keying） ：数字信号的不同电平对应于载波信号的不同频率。例如，二进制 1 对应于较高的载波频率，二进制 0 对应于较低的载波频率。FSK 调制的抗干扰能力比 ASK 调制强，因为它通过频率变化来传递数字信息，对幅度噪声不敏感。但 FSK 调制的频带利用率相对较低，且在实现过程中需要稳定的频率源。
相移键控（PSK, Phase Shift Keying） ：数字信号的不同电平对应于载波信号的不同相位。例如，二进制 1 对应于载波信号的 0 度相位，二进制 0 对应于载波信号的 180 度相位。PSK 调制具有较高的抗干扰能力，因为相位变化相对稳定，不易受幅度和频率噪声的影响。常见的 PSK 调制方式还有差分相移键控（DPSK, Differential Phase Shift Keying），它通过比较相邻信号的相位变化来表示数字信息，具有更好的抗干扰性能。
模拟调制技术
模拟调制主要用于传统的模拟通信系统，如广播、电视等。常见的模拟调制技术包括调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。这些技术在物理层的无线通信中也有一定的应用，例如在一些无线通信的模拟信号传输场景中，通过调制技术将模拟信号转换为适合无线传输的形式。
（五）传输方式
基带传输
基带传输是指将数字信号或模拟信号直接在传输介质（如双绞线、同轴电缆等）上进行传输，不进行调制。在基带传输中，信号通常以脉冲的形式存在，占用的频带较窄，从 0 频率附近开始。基带传输的优点是传输距离较短时，信号质量高，传输速度快，且实现简单。然而，由于基带信号的频带受限，其传输距离相对较短，且容易受到线路特性（如衰减、反射等）的影响。在局域网（LAN）中，基带传输应用广泛，如以太网（Ethernet）最初采用基带传输方式在同轴电缆上传输数据。
宽带传输
宽带传输是指将多个信号（可以是数字信号或模拟信号）通过调制后在同一个传输介质（如光纤、同轴电缆等）上同时传输。每个信号占据不同的频带，通过频率分割实现多路复用。宽带传输的优点是可以同时传输多种类型的信号，提高传输介质的利用率，扩大网络的覆盖范围。它常用于有线电视网络和一些广域网（WAN）场景，能够同时提供多种服务，如电视节目、电话、互联网接入等。但在宽带传输中，由于多个信号共享同一介质，信号之间可能会产生干扰，需要采用适当的滤波和均衡技术来保证信号的质量。
（六）多路复用技术
频分多路复用
FDM 将物理介质的可用频带划分为多个互不重叠的频段，每个频段对应一个子信道，不同的子信道可以同时传输不同的信号。例如，在传统的有线电视系统中，使用 FDM 技术将多个电视频道分配到不同的频段进行传输，用户通过调谐到不同的频道来接收相应的电视节目。FDM 的优点是可以同时传输多个信号，提高频带利用率，适用于模拟信号和数字信号的传输。但它的缺点是实现复杂，需要精确的滤波器来分离不同的频段，且各子信道之间容易出现频谱泄露，导致信号干扰。
时分多路复用
TDM 将时间划分成一个个互不重叠的时隙，每个时隙分配给一个子信道，不同的子信道在不同的时隙内轮流传输信号。根据时隙的分配方式，TDM 可以分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。在同步 TDM 中，每个时隙的大小和分配是固定的，无论子信道是否有数据要发送，都会占用相应的时隙。例如，在传统的电话系统中，使用同步 TDM 技术将多个用户的语音信号分配到不同的时隙进行传输。异步 TDM 则允许动态地分配时隙，只有当子信道有数据要发送时才分配时隙，提高了时隙的利用率。TDM 的优点是可以高效地利用传输介质的时间资源，适用于数字信号的传输。但它的缺点是对时钟同步要求高，时隙的分配和管理较为复杂。
波分多路复用
WDM 主要用于光纤通信，它将光纤的可用频谱划分为不同的波长（即不同的光频率），每个波长对应一个子信道，不同的子信道可以同时传输不同的光信号。WDM 技术极大地提高了光纤的传输容量，使得一根光纤可以同时传输多个独立的光信号。例如，在现代的长途光纤通信网络中，采用 WDM 技术可以实现单根光纤的传输速率高达数百 Gbps 甚至更高。WDM 的优点是传输容量大、传输距离远、信号质量高，适用于高带宽的骨干网和城域网。但它的缺点是设备成本高，对光信号的波长稳定性和复用/解复用技术要求严格。
码分多路复用
CDM 是一种基于扩频技术的多路复用方式，每个子信道使用不同的伪随机码（PN 码）对信号进行编码，使不同的信号在同一个频带和时间上传输。在接收端，通过相同的伪随机码进行解码，恢复出原始信号。CDM 的优点是可以灵活地分配频带资源，多个子信道可以同时共享整个频带，且具有较强的抗干扰能力和保密性。它广泛应用于移动通信系统（如 CDMA 2000、WCDMA 等）和卫星通信等场景。但 CDM 的缺点是实现复杂，对伪随机码的设计和同步要求高，且存在多址干扰（MAI）问题，需要采用适当的干扰抑制技术来提高系统性能。