计算机网络笔记整理——物理层

物理层考虑的是怎样才能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。

物理层协议也称为物理层规程。

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

一、物理层的特性

**机械特性：**接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

**电气特性：**在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

**功能特性：**某条线上出现的某一电平的电压的意义。

**过程特性：**对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：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）。

常用术语：

数据 (data) —— 运送消息的实体。

信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。

模拟信号 (analogous signal)，或连续信号—— 代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号 (digital signal)，或离散信号 —— 代表消息的参数的取值是离散的。

码元 (code) —— 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。

2、有关信道的几个基本概念

信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（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)。

双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。

调制——为了解决“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。”的问题。必须对基带信号进行调制。调制分为两大类，即基带调制和带通调制。

​ 基带调制：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。

​ 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。

（1）常用的编码方式

不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。

归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。

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。

差分曼彻斯特编码：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。

（2）基本的带通调制方法

**调幅(AM)：**载波的振幅随基带数字信号而变化。

**调频(FM)：**载波的频率随基带数字信号而变化。

**调相(PM) ：**载波的初始相位随基带数字信号而变化。8

3、信道的极限容量

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

（1）信道能够通过的频率范围

（2）信噪比——就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：

​ 信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)

​ 在1948年，信息论的创始人香农（Shannon）推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C。

​ C = W log2(1+S/N) (bit/s)

其中： W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；

​ 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。

​ 香农公式表明：

​ （1）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。

​ （2）只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

三、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。

1、导引型传输媒体

双绞线——最常用的传输媒体。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。

​ 双绞线分为屏蔽双绞线STP和无屏蔽双绞线 UTP 。

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。

​ 50Ω同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用

​ 75Ω同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

光缆——光纤是光纤通信的传输媒体。光纤分为多模光纤和单模光纤。

​ 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。

​ 单模光纤——若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

​ 光纤的优点：（1）通信容量非常大。

​ （2）传输损耗小，中继距离长。

​ （3）抗雷电和电磁干扰性能好。

​ （4）无串音干扰，保密性好。

​ （5）体积小，重量轻。

2、非引导型传输媒体

传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波通信和卫星通信。

四、信道复用技术

1、频分复用、时分复用和统计时分复用

复用是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

最基本的复用就是频分复用FDM和时分复用TDM。

频分复用的所有用户在同意的时间占用不同的带宽资源。

时分复用的所以用户是在不同意的时间占用同样的频带宽度。

2、波分复用

波分复用就是光的频分复用

3、码分复用

码分复用是一种共享信道方法，更常用的名词是码分多址(CDMA)，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，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

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片；每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列（一般为64bit/128bit）

扩频通信有两大种：直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)

两个不同站的码片序列正交，就是向量$S$ 和$T$ 的规格化内积都是0：

$$S\cdot T\equiv \frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i{T}_i=0$$

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1：

$$S\cdot S=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i{S}_i=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m{S}_i^2=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m(\pm 1{)}^2=1$$

五、数字传输系统

早期数字传输系统的缺点：

1. 速率标准不统一：多路复用的速率体系有两个互不兼容的国际标准，北美和日本的T1速率（1.544Mbit/s）和欧洲的E1速率（2.048Mbit/s）
2. 不是同步传输

1988年美国首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网(SONET)。ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列(SDH)

六、宽带接入技术

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。

第二代ADSL改进的地方：

1. 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
2. 采用无缝速率自适应技术，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率
3. 改善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

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