计算机网络——物理层（一）

计算机网络——物理层（一）

一、物理层概述

1.1 概述

物理层是最底层、最基础的一层，他没有下一层的支撑，直接为数据链路层服务。

物理层的主要功能是提供透明的比特流传输，将封装好的数据以 0、1 比特流的形式进行传输。

1.2 特性

物理层在完成它的功能时，呈现出四大特性。

特性	说明
机械特性	指明接口所有接线器的形状、尺寸、引脚数、排列等，如RJ45
电气特性	指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
功能特性	指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
规程特性	指明对于不同功能各种事件可能出现的顺序，概念类似于协议

1.3 信号

物理层上的数据传输是以信号的形式进行的。

信号是指数据的电气或电磁表现。

信号分为两大类：

模拟信号：对应时域的信号取值是连续的

数字信号：对应时域的信号取值是离散的。其中，代表不同离散的基本波形称为码元。

1.4 信号在信道/传输介质上传输

信号在传输过程中，可以看成很多不同频率的分量的传输，因为高频分量的不等量衰减，接收方收到的信号是衰减和变形失真的。

截止频率：如果0~fc这段频段，振幅在传输过程中不会明显衰减，则fc为截止频率。

1.5 带宽

物理带宽：传输过程中不会明显衰减的频率范围，通常取决于介质材料。

数字带宽：单位时间内流经的信息总量。

1.6 数字带宽和物理带宽的关系

1.6.1 奈奎斯特定理

在无噪声信道中（理想状态下），当带宽为B hz，信号电平为V级，则：

其中V为信号的电平级数，在二进制中仅为0、1两级。
所以每秒高于2B次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被过滤掉。

1.6.2 香农定理

在噪声信道中，带宽为B hz，信噪比为S/N，则：

噪声用分贝(dB)表示，噪声和信噪比的关系是：

二、有导向的传输介质

2.1 传输介质

传输介质分为：
引导性（有线）传输介质：铜线（同轴电缆、双绞线）、光纤等。
非引导性（无线）传输介质：无线电、卫星、激光等。

2.2 同轴电缆

同轴电缆
由中心导体、绝缘材料层、网状导体、外部绝缘料 四层组成。

基带同轴电缆：50Ω，用于数字传输。
宽带同轴电缆：75Ω，用于模拟传输。

粗缆：最大传输距离为500米，两端安装终结器，以保证电缆屏蔽层接地。

细缆（0.35cm）：最大传输距离为185米，两头安装BNC头，接在T型连接器两端。

2.3 双绞线

由两根具有绝缘层的铜导线按一定密度，逆时针绞合而成，一般绞距越小，传输性能越好。
主要有非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、网屏式双绞线。

2.3.1 非屏蔽式双绞线（UTP）

主要优点有：成本低、尺寸小、易于安装。
缺点主要是：易受干扰、传输距离性能低、收到绞距影响。

2.3.2 屏蔽式双绞线（STP）

优点：抗干扰。
缺点：成本高、安装不易。

2.3.3 折中的：网屏式双绞线

在局域网中，使用最多的是UTP，但其实只用到了12和36这两对线

2.3.4 直通线和交叉线

直通线，线两头的线序一致，常用于连接两台不同的设备，如连接交换机和PC。
交叉线，线两头的线序相反，常用于连接两台相同的设备，如连接两头路由器。
现在直通线交叉线已经不重要，因为我们的设备可以自适应。

2.4 电力线

电力线能够充电还能传输数据。

2.5 光纤（光导纤维）

光纤由及细玻璃纤维构成，把光封闭在其中并沿轴向传播。
优点：轻、损耗低、不受干扰、传输频带宽、通信容量大。
缺点：昂贵、易断裂。
光纤原理：全反射

光纤分为单模光纤喝多模光纤。
单模：以单一模式进行传输，激光产生单束光。
多模：以多个模式同时传输，LED产生的多束光。

当光纤断了可用以下方式进行连接：

• 光纤连接器（光损失10%~20%）
• 机械拼接（光损失10%）
• 熔合（几乎无损失）

光纤相对铜线的特性：带宽高，距离远，损耗低，重量轻，抗干扰，防窃听。

三、复用技术

复用技术是让多用户共享同一根信道（干线）

3.1 频分多路复用（FDM）

将频率分为若干段，让每个用户占据一段传输自己的信号，频带之间通常留有一定的带宽，以免混淆，这个频段称为保护带。

3.2 正交FDM（OFDM）

一种更好的利用带宽的FDM（正交频分多路复用），没有保护带，子带相互重叠，广泛使用于802.11、有线电视网络。

3.3 波分多路复用WDM

本质和FDM一样，在光纤上复用信号。按照不同的波长，干线分成了若干份，承载不同用户的光信号， 到了终点，分离器分离出不同波长的光信号，当相邻波长间隔非常接近，子信道的数量非常大，WDM就变成了了DWDM(密集波分多路电路)

3.4 时分多路复用电路（TDM）

在时间上共享信道，将时间划分为非常短的时间片，用户周期性的在自己的时间片内使用整个带宽。TDM广泛用于电话系统和蜂窝系统。

各用户需要的带宽不均衡，而TDM用户时间片的使用却是一样的，将造成信道的浪费，不高效，所以为了提高信道的利用率，便有了统计时分多路复用电路（STDM）。

3.5 统计时分多路复用电路（STDM）

动态分配信道，不使用信道的用户不分配，分给有需要的用户使用，利用率提高2~4倍。通常只在高速远程通信中使用如ATM，不适用用于用户平均使用信道的情况。

3.6 码分多路复用技术（CDMA）

完全不同于FDM和TDM的技术，它是一种扩频技术。

CDMA允许每个站利用整个频段发送信号，而且没有任何时间限制。
CDMA的关键在于能够提取出需要的信号，同时拒绝其他的信号，并把其他的信号当做噪声。
CDMA中，每个比特时间被细分为m个更短的时间间隔，这更短的时间间隔被称为码片。通常每个比特被分为64个或128个。

举例 m = 4

在干线起点，系统会把这三个信号进行线性的叠加，产生了一个复用信号（0，-2，+2，0），为了知道某个站发送了什么，接收方必须知道发送方的码片序列，只要计算复用信号和码片序列的归一化内积，我么就知道他发送了什么。

码片序两两正交，所以他能同时传输。CDMA广泛用于3G通信。

计算机网络——物理层（二）

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