计算机网络--->2. 物理层

2.1 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（即不是光纤、双绞线、无线）。
物理层主要任务描述：确定与传输媒体接口的一些特性(eg:各个厂家生产的交换机的以太网口都按照一个标准来做)，即：

• 机械特性：规定接口形状、大小、引线数目
• 电器特性：规定电压范围（-5V到+5V）
• 功能特性：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

2.2 数据通信的基础知识

1 典型的数据通信模型

• 备注1：计算机和计算机通信的时候，计算机的网卡发送的是数据比特流
• 备注2：现在某个教室里的计算机都是通过交换机相连，通过交换机组建的网络没有调制解调过程也没有用公用电话网，直接是数字比特流到数字比特流
  

2 相关述语

• 通信的目的是传送消息
• 数据：运送消息的实体
• 信号：数据的电器或电磁表现
  模拟信号：代表消息的参数的取是连续的；数字信号：代表消息参数的取值是离散的。
• 码元：在使用时间域波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就成为码元。
  在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来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

3 有关信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以平常说的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

• 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(eg:广播)
• 双向交替通信（半双工）：通信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(eg:对讲机、发微信)
• 双向同时通信（全双工）：通信双方可以同时发送和接收消息(eg:打电话)
• 备注：计算机通信一般使半双工和全双工很少有单工通信。

4 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(eg:说话时的声波)

• 带通信号：将基带信号经过载波调制之后，将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）

• 在传输距离较近时，计算机网络都采取“基带传输”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变化。(eg:计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输)

5 调制方式

• 调幅AM：载波振幅随基带数字信号而变化
• 调频FM：载波频率随基带数字信号而变化
• 调相PM：载波初始相位随基带数字信号而变化

6 常用编码

• 单极性不归零码：只使用一个电压值，高电平表示1，没电压表示0【但是发送一组101010111100的数据，接收端无法判断是没有信号还是0电平，因而出现了曼彻斯特编码】

• 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负赋值相等。

• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

• 曼彻斯特编码：采用该编码方式，一个时钟周期只表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit,但他可以携带时钟信号，并且可以表示没有数据传输。
  

• 差分曼彻斯特编码：与曼彻斯特编码方式相同但是抗干扰性强于曼彻斯特编码。
  
  

7 奈式准则和香农公式

信道的极限容量

奈氏准则

• 奈氏准则给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的速率的上限值。
• 在任何信道中码元的传输速率是有上限的，否则会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
• 如果信道的频段越宽，也就是能够通过信号的高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

奈氏准则公式

• 公式：理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
• W是理想低通信号的带宽，单位HZ;Baud是波特是码元传输速率单位，如果一个码元含有3bit的信息量1Baud=3bit/s

信噪比

香农公式给出：在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率，信道的极限信息传输速率C可以表示为：

• W为信道的带宽(HZ)
• 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

计算机的无线网卡也是这样的：当计算机距离无线AP近的时候，网速可以很快；当计算机距离无线AP远的时候，网速就很慢

奈氏准则和香农公式的应用

2.3 物理层下面的传输媒体

1 用于数据通信的频谱是10^4~1016

2 导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。导向媒体有以下几种：

双绞线：【粗细对信号有影响】

• 屏蔽双绞线STP【适用于长距离传输】
• 无屏蔽双绞线UTP【现在常用】

同轴电缆

• 50Ω同轴电缆用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
• 70Ω同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆

光缆

2 非导向传输媒体

非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。-
无线传输所使用的频段很广

• 短波通信主要靠电离层的反射，但是短波信道的通信质量较差。
• 微波在空间是直线传播，所以需要足够高的中继站(eg:地面微波接力通信、卫星通信)

3 集线器hub[目前已经用交换机替代]

• 特点：在网络中只起到信号放大和重发的作用，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
• 最大传输距离： 100m
• 集线器是一个大的冲突域：计算机ABCD都连着一个hub,ABCD的网卡都有地址，在AB通信的时候，源地址是A，目标地址是B，但是hub并不知道目标地址和源地址，不判断数据从哪来到哪去。A信号经过hub之后，这个信号会被集线器同时发往BCD，只是由计算机自己判断这个信号是不是给自己的，CD看这个信号不是给自己的，那么CD就将这个信号丢弃【对于AB来说不安全】。但同时，CD就无法进行正常通信了。综上：由集线器连接的网络，在某个时间里只允许一个信道通信。同时A给B发的时候，B不可以给A发，说明：集线器连接的网络是一个半双工的。
  集线器是连接的计算机越多，分给每个计算机的带宽越少。（集线器是10M的口，ABCD每个口只有10/4M的带宽）

2.4 信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念

2.4.1 频分复用FDM

• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中至始至终都占用这个频带。
• 频分复用：所有的用户在同样的时间占用不同的带宽资源（注意：这里“带宽”是频率带宽而不是数据发送速率）

2.4.2 时分复用TDM

1. TDM介绍

• 时分复用：将时间划分成一段等长的时分复用帧，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性地出现（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）
• TDM信号也称为等时信号
• 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
  

2. TDM缺点

时分复用可能会造成线路资源浪费：使用时分复用系统传送计算机数据的时候，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到子信道的利用率一般是不高的。（eg:每个时间段分给固定的用户，若其中某个用户没有要发送的数据，其他的用户也不能占用该时间段发送数据）

3. 统计时分复用

ABCD发数据之前分别为自己的每个数据包做上标记，此时发送数据不用等待，谁的数据包到了，谁就先发，接收端通过这些标记识别出每个数据包对应的接收者，并将数据包的标记去除后发给对应的接收者。

2.4.3 波分复用WDM

就是频分复用

2.4.4 码分复用CDM（CDMA原理）

1. CDMA

• 码分复用常用的名词就是码分多种CDMA
• 各个用户（S站和T站）经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰
• 这种操作系统发送的信号有很强的干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现
• 码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔
  

2. 每个用户所选择的码片的重要特性

• 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
  
• 一个码片向量和该码片反码向量的规格化内积值是-1
• 码片的选择：必须和其他的码片都是正交的也就是说和其他的码片内积要为0
  

3. 举例

分别用ABCD和R做内积，可以发现ABD（与R做内积结果为+1或者-1）都可以接收到信号，只有C（与R做内积结果为0）接收不到信号

CDMA的缺点：手机用户越多，每个bit分的码片就越多

2.5 数字传输系统

脉冲编码调制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)和欧洲的30路PCM(简称E1)。我国采用的是欧洲的E1标准。

• E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.55Mb/s。
• 当需要有更高的数据率时，可以采用复用的方法。

2.6 宽带接入技术【如何将计算机接入到Internet】

2.6.1 xDSL用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造

• xDSL技术中最常用的就是ADSL
• ADSL：利用电话线进行承载，电话线可以在不同的频段传送数据。
• 0_{4kHZ传语音信号；26}108kHZ传下行信号；138~1104kHZ传上行信号。上行信号带宽小于下行信号带宽，这叫做非对称。
• 标准模拟电话线的频带被限制在300_{3400hz的范围内，但是用户线本身实际可以通过的信号频率任然超过1Mhz。xDSL技术就是把0}4KHZ低频段给传统的电话使用，而把原来没有被利用的高频谱给用户上网用。
• 以前电话线和上网线共用一根网线，所以打电话和上网不能同时进行，现在有了ADSL技术将电话线和网线分开,说明如下图：

• 以前电话线和上网线共用一根网线，所以打电话和上网不能同时进行，现在有了ADSL技术将电话线和网线分开，如下：

一个电话线过来之后有一个分离器，低频的接电话，高频的接猫；电话公司端，高频的接入Internet,低频的接电话公司

2.6.2 光纤同轴混合网

• 光纤同轴混合网：对有线电视网进行的一系列改造，用于为用户提供Internet接入技术，这样又能看电视又能上网
• 有线电视的线是铜线，同轴电缆
• 图中头端通过卫星或者是其他的方式接入Internet