计算机网络 —— 物理层

物理层的任务

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，包括：

（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状，性质，尺寸，引线数目排列，固定和锁定装置等待，比如无论什么材质的网线都是用的水晶头；

（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围；

（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示的意义，比如什么范围的电压代表高电频，与电气特性有一种相互对照关系；

（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件出现顺序，比如报文的小组划分，组装的顺序；

数据通信系统的模型

如图所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。

源系统：
（1）源点：源点设备产生的要传输的数据（pc机等终端）
（2）发送器：将01比特流转换成相应的物理信号（调制器）
目的系统：
（1）接收器：接收物理信号，转换成我们的01比特流（解调器）
（2）终点：从接收器获取01比特流，解析成对应的信息

通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据(data)是运送消息的实体。根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器(或人)处理或产生。信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

（1）模拟信号，或连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。例如在图中，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
（2）数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。例如在图中，用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

信道的基本概念

在许多情况下，我们要使用信道(channel)这一名词。信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

（1）单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
（2）双向交替通信又称为半双工通信，即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，过一段时间后可以再反过来。
（3）双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。

基带信号调制

来自信源的信号常称为基带信号(即基本频带信号)。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。许多信道并不能传输基带信号中的低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。调制可分为两大类：

（1） 基带调制：仅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。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。

（2） 带通调制：使用载波(carrier)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。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体(这里的“导引型”的英文就是guided，也可译为“导向传输媒体”。

（1）导引型传输媒体（有线传输，铜线或者光纤）
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播；
（2）非导引型传输媒体（无线传输，短波通信、无线电微波通信和卫星通信）
而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

信道复用技术

信道复用指的是在通信过程中可以共享信道的技术。

1、频分复用（FDM）

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终占用这个频带。即所有用户在同一时间占用不同的带宽资源。

2、时分复用（TDM）

将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期的出现。TDM信号也称为等时信号。所有用户是在不同时间占用相同的频带宽度。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用则更有利于数字信号的传输。

然而时分复用是不能保证信道的利用率的，例如下面的情况：

这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。

3、统计时分复用 STDM

统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。

上图是统计时分复用的原理图。一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远程计算机。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。

4、波分复用（WDM）

波分复用其实就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。现在人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就使光纤的传输能力可成倍地提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就得出了波分复用这一名词。

5、码分复用（CDM）

码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法，人们更常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

由于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。码分复用最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量(是使用GSM的4-5倍)，降低手机的平均发射功率，等等。

宽带接入技术

1、ADSL 技术

非对称数字用户线，指的是，将电话通信放入低频信道，网络上的上传放在中频的上行信道，下载放在高频的下行信道，非对称指的就是中频的频率范围和高频的频率范围不是1:1的。

2、HFC 技术

光纤同轴混合网，为了提高传输的可靠性和信号的质量，HFC将原来的同轴电缆的主干部分换成了光纤。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。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。

光纤从头端连接到光纤结点，光信号转换成电信号，通过同轴电缆将电信号传输到各家各户中。为了能使电视机能够接受到数字电视信号，还需要机顶盒连接在电视个同轴电缆之间。在电脑和机顶盒之间连接一个调制解调器就能上网了。

每个家庭要安装一个用户接口盒 UIB (User Interface Box)，它可提供三种连接，即：
● 接电视：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。
● 接电话：使用双绞线连接到用户的电话机。
● 接电脑：使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

3、FTTx技术

FTTx（ Fiber To The x）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 代表不同接入点。

光纤到户技术，运营商拉一根光纤到指定用户，在用户中光信号转化成电信号，提高上网速率。
● 光纤到家 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)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。