计算机网络笔记 韩立刚老师 第二章 物理层

计算机网络笔记 — 第二章 物理层

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物理层的基本概念

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
物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体接口的一些特性，即：

• 机械特性：例如接口形状、大小、引线数目。比如就像可乐，大瓶和小瓶只是瓶子大小不一样，但是瓶口和瓶盖的大小是规定一样的
  
• 电气特性：例如规定电压范围（-5~+5v）
• 功能特性：例如规定-5v表示0，+5v表示1
• 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

数据通信的基础知识

• 有线电视收信号、打电话、计算机上网都是数据通信
• 数字信号离散的、模拟信号连续的
• 如果计算机仅仅通过交换机来通信的话，直接就是数字比特流，不会经过调制解调器
• 典型的数据通信模型如下：
  

数据通信相关术语

• 消息：就是对用户来说有用的信息
• 数据：运送消息的实体。比如天气预报对用户来说是一个消息，但是在传输过程中只能把天气预报这个消息转换为数字信号这些数据来传送。换言之，消息是我们能看懂的，但是在传输消息过程中，只能转换成计算机能看懂的二进制数据来传送。
• 信号：数据的电气或电磁的表现。就是为什么计算机可以识别0101这些二进制呢，实际上是根据网线上的电压变化，比如规定+5v表示1，-5v表示0。
  - 模拟信号
  - 数字信号
• 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值得基本波形就称为码元
  - 在数字通信中常常使用时间间隔相同的符号里表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量
  这张图一个码元就只携带了一个bit，0或者1,因为电压取值只有两种，+5v或者-5v。
  

而这张图，一个码元可以携带n bit。因为电压的取值可以是0~（2^n-1） V。因为比如说7写成二进制是111，三位，所以7v的电压可以携带3bit数据，而0的话写成二进制是000，也可以是三位，所以一个码元要携带3个比特数据，只需要电压的范围为0 ~ 7V，就可以表示三个二进制位的所有情况（000,001,010,011,100，101,110,111）。

有关信道的几个基本概念

• 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【例如：电视可以接收到电视台发来的信号，但是电视不能向电视台发送信号】
• 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（当然也不能同时接收）【例如：对讲机。A说话的时候B只能听，B说话的时候A只能听】
• 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【例如：打电话，即可以说又可以听】

基带信号和带通信号

• 基带信号：来自信源的信号。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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
• 带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

因此：在传输距离比较近时，计算机网络都采用基带传输的方式。由于在近距离范围内，基带信号衰减不大，从而信号内容不会发生改变。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

又例如：电台播音员说了一段话，这段话就是来自信源的信号，即基带信号。但是这段话通过载波调制变成了基带信号，这样你可以从收音机收到播音员说的话，收音机收到的其实是带通信号，然后收音机再对带通信号进行调制还原，你就可以听到播音员说的了

几种最基本的调制方法

基带信号到带通信号的调制方法：

• 调幅：载波的振幅 随基带数字信号而变化
• 调频：载波的频率随基带数字的信号而变化
• 调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化
  

常用编码

• 归零是指出现高电位或低电位都会归零一次
  

曼彻斯特编码

• 曼彻斯特编码可以表示没有信号传输。因为不论是0信号还是1信号都会发生跳变。如果没有跳变，就可以表示没有信号
• 曼彻斯特编码能携带时钟信号，因为在一个bit里面，他一次跳转，就表示一个时钟
  

差分曼彻斯特编码

信道极限容量

奈氏准则

• 在没有干扰的情况下，用奈氏准则。
• 奈氏准则就是说，在没有码间串扰的情况下，码元的传输速率也有上限值
  

信噪比

香农公式

• 香农公式就是：有信号干扰时，无差错传输速率 C=W log2(1+S/N) b/s
• 香农公式想表达的，例如：在没有噪声的情况下，我们每分钟说两百个字，别人都能听懂。但是如果有噪声，我们放慢速度，别人也能够听懂
  

奈氏准则和香农公式应用范围

物理层下面的传输媒体

• 导向传输媒体：沿着固体媒体传播
• 非导向传输媒体：无线传输
  

集线器（物理层设备）

工作特点：他在网络中起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传输能力。 比如说主机A给主机B发送信息，并不能定向的发送给主机B，而是会发送给这个网络里面的所有主机

• 最大传输距离：100m
• 集线器是一个大的冲突域
  

信道复用技术

举例：比如一根光纤的带宽是100M，A和B利用光纤通信，但是A和B只用了64kb 那么光纤剩下的带宽就被浪费了，所以可以多来几个人一起用这个光纤。也就是说在一个传输介质上，跑多个信道的数据，还得能把这些信道区分开，就是信道复用技术

频分复用

注意：在介质上传输的是+后的总的频率那个波
频分复用的例子：

时分复用

• 时分复用可能会造成线路资源的浪费
  

统计时分复用

给数据加上标记，没有规律的，凑够一个帧就发送，接收方通过加的标记来区分

波分复用

• 就是光的频分复用

数字传输系统

• 主要讲广域网之间的传输
• 脉码调制(PCM)技术。欧洲是E1标准(30路)，北美是T1(24路，时分复用)。
  

宽带接入技术

• 特指接入Internet的技术
• ADSL使用电话线提供的Internet的访问
• HFC是使用居民已经部署好的有线电视的网络进入Internet接入访问。

xDSL(用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造)

• 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
• xDSL技术就把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
  

用户端：
电话公司端：

• xDSL中使用的最多的就是ADSL（非对称数字用户线）

ADSL

• 特点：
  - 上行和下行带宽做成不对称的
  - ADSL在用户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）**调制技术
• DMT技术：
  - DMT技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。
  - 每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行的传送数据。

DMT技术如图所示：

• 一个信道占用了一个频率
  DMT技术的频谱分布图：
  ADSL的组成如图所示：
  

光纤同轴混合网HFC

• 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
• HFC网除了可传送CATV外，还可提供电话、数据和其他宽带交互型业务。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网采用的结点体系结构：

• HFC网的最大优点
  - 具有很宽的频带
  - 能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网

FTTx技术

• 直接用光纤上网，不需要其他设备进行调试了