计算机网络（二）物理层

计算机网络的物理层我学的很是浅显，看了书之后概念太多了，记不太住，只能以后慢慢记这些概念了，这一遍只能先将书通一遍了，记一个大概。

写的博客有的内容和图片的是复制别人的，因为概念性的东西太多了，时间不够我打字的，所以走了一个近道。

物理层的基本概念

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。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。 物理层要解决的问题就是确保一方发送了信息比特1后，另 一方接收到的也一定是比特1。具体来说就是什么信号代表比特0和1 、一个比特持续多少纳秒、传输是否可以双向进行、初始连接如何建立、通讯结束后如何撤销连接、网络 连接器的针脚数量及每针的用途等等。

 
物理层的主要任务

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

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

电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序。

数据通信的基础知识

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)。

 

 

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。

有关信道的几个基本概念

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。

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.这类调制称为基带调制。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.这类调制称为带通调制。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)。

常用编码方式，如上图，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。

常用带通调制，如上图。调幅(AM)即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出；调频((FM)即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率 f1 或 f2 ;调相(PM)即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。数字通信的优点就是：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。如图：

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

    由于系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰，这就是码间串扰，如上图(b)。为了避免码间串扰，奈奎斯特(Nyquist)
    推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。所以，在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

  2.  信噪比

    噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。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。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是
    C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)

式中，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为信道达部的高斯噪声功率。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

 双绞线

• 双绞线：也称双扭线，它是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

注：使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线链接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。

同轴电缆

• 同轴电缆：由内导体铜制芯线（单股是新线或多股绞合线），绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层组成。由于外导体屏蔽层的作用，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。

注：同轴电缆可分为两种基本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带是常用的电缆，其屏蔽线是用铜做成的网状的，特征阻抗为50(如RG-8、RG-58等)，50欧姆同轴电缆是粗电缆；宽带同轴电缆常用的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的，特征阻抗为75(如RG-59等)，75欧姆同轴电缆是细电缆。

光缆

• 光缆：是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接受端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

 

注：光纤可以分为多模光纤和单模光纤。多模光纤，可以存在许多不同角度入射的光线，在一条光纤中传输，特点是传输距离近，价格低，发光二极管。单模光纤，若光纤的直径减少到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，特点是传输距离远，价格高，激光而二极管。

 非导向传输媒体

短波通信

短波通信：即高频通信，主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。

因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒。

 微波通信

 地面微波接力通信

卫星通信

注：非导向传输媒就是指自由空间，利用无线电波在自由空间的传播可以较快地实现多种通信。在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输，利用无线信道进行信息传输是在运动中通信的唯一手段，所以最近几年无线电通信发展得特别快。

补充：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。传输媒体可以分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。

信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。下面对信道复用技术进行简单的介绍。

如上图，虽然复用要付出一定代价(共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器)。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。

频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

频分复用最简单，其特点如上图(a)所示。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。

而时分复用则是将时间划分为一段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。

为简单起见，在上图(b)中只画出了4个用户A,B, C和D。每一个用户所占用的时隙周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。因此TDM信号也称为等时((isochronous)信号。可以看出，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。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。时分复用则更有利于数字信号的传输。

统计时分复用STDM (Statistic TDM)

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。

波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)

波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)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。

 

 码分复用CDM (Code Division Multiplexing)

码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法，这里只简单介绍一下。实际上，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。

数字传输系统

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1 速率1.544mb/s）和欧洲的30路PCM（简称E1 2.048mb/s）。我国采用的是欧洲的E1标准。当有更高的数据率时，可采用复用的方法。

旧的数字传输系统存在着许多缺点

• 速率标准不统一
  如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速传输就很难实现。
• 不是同步传输
  在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用是准同步方式

现代采用

• 同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)
• 同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)

宽带接入技术

ADSL技术（Asymmetric Digital Subscriber Line）

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，使它能够承载宽带数字业务。

• 标准模拟电话信号的频带被限制在300-3400hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1mhz
• ADSL技术就是把0-4khz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就是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写

ADSL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称
• 上行指从用户到ISP，下行指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

ADSL的组成

 

 

第二代ADSL

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
• 采用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。

光纤同轴混合网HFC（Hybrid Fiber Coax）

HFC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，它除了可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互业务，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，而HFC网则需要对CATV网进行改造。

HFC的主要特点

• HFC网的主干线路采用光纤
  • HFC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网采用结点体系结构.png

• HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能

   

  

  更宽频谱，双向传输.png

• 每个家庭要安装一个用户接口盒UIB（User Interface Box），接口盒要提供三种连接
  • 使用同轴电缆连接到机顶盒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

FTTx技术

FTTx（光纤到...）也是一种实现宽带居民接入网的方案。

• FTTH（Fiber To The Home）光纤到户 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
• FTTB（Building）光纤到大楼 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
• FTTC（Curb）光纤到路边 从路边到各用户可使用星型结构双绞线作为传输媒体