02章 物理层
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
物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为：确定传输媒体的接口的一些特性，即：
机械特性：如接口形状，大小，引线数目
电气特性：如规定电压范围（-5V到+5V）
功能特性：如规定-5V表示0，+5V表示1
过程特性：也称规程特性，规定简历连接时各个相关部件的工作步骤
数据通信的基础知识
典型的数据通信模型
相关术语
通信的目的是传送消息
消息：对用户来说有用的信息
| 概念名称 | 含义 |
|---|---|
| 数据(data) | 运送消息的实体 |
| 信号(signal) | 数据的电器的或电磁的表现 |
| “模拟信号” | 代表消息的参数的取值是连续的 |
| “数字信号” | 代表消息的参数的取值是离散的 |
| 码元(code) | 在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元 |
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
还有其他形式的码元，比如如果电压不是只有0和5V，可以取0-7V之间整数伏的话，就有七种不同的数字，不再是0和1，转换为二进制则一位代表三个位的二进制数。即最多可以携带3bit的信息量。以此类推，码元携带信息量由最高进制转换为二进制时的最高位数决定
数字信号传输的过程中，有电或没电的一个时间段内的波形就叫做码元
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。所以平时说的通信线路旺旺包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道
| 信道名称 | 功能 |
|---|---|
| 单向通信（单工信道） | 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（也不可同时接收） |
| 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（baseband）信号和带通（band pass）信号
基带信号（即基本频带信号）
来自信源的信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号
如说话声
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）
如说话声经过对讲机调制，转换成无线波，就可在空气中传播较远距离
由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。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
比如现实中距离较近时说话，直接说就可以听到，无需再用通信设备
对基带数字信号的几种调制方法
调幅：用波的有无来表示1和0
调频：用波的快慢来表示1和0
调相：用正弦波和余弦波来表示1和0
常用编码
曼彻斯特编码
能够携带时钟信号，且可表示没有数据传输
但必须要两次采样才能得到一个bit
差分曼彻斯特编码
用数字有无跳转来表示1和0
信号干扰
奈式准则
在假定的理想状态（没有电磁干扰）下，为了避免码间串扰，码元的传输速率应有上限值
- 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就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
- 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么久可有用更高的速率传送码元而不出现码间串扰
香农公式
香农用信息论的理论推导出了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 可表达为
C=W log₂(1+S/N) b/s
信噪比为S/N
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
噪声越大极限传输速率越小
如：无噪声情况下说话一分200字可以听清，若外面有人放鞭炮，则通过放慢速度的方式也可使人听清
香农公式的启示
- 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
- 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方法来实现无差错的传输
- 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上线（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 也就没有上线
- 实际上信道能够到达的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少
奈式准则和香农公式的应用范围
码元传输速率（模拟信号）受奈式准则的限制
信息传输速率（数字信号+模拟信号）受香农公式的限制
物理层下面的传输媒体
导向传输媒体
导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播
- 双绞线
- 屏蔽双绞线STP
- 无屏蔽双绞线UTP
- 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
- 75Ω同轴电缆用于模拟传输，即带宽同轴电缆
- 光缆
网线
- 直通线：具体的线序制作方法是：双绞线夹线顺序是两边一直，统一都是：
- 橙白
- 橙
- 绿白
- 蓝
- 蓝白
- 绿
- 粽白
- 棕
注意两端都是同样的线序，且一一对应
这就是100M网线的做线标准，即568B变准，也就是平常所说的正线或标准线、直通线
- 直通线应用最广泛，这种类型的以太网电缆用来实现下列链接：(不同类的设备相连用直通线)
- 主机到交换机或集线器
- 路由器到交换机或集线器
10M 100M的网线只有1 3 6用于传输
1000M的8根全部用于传输
- 交叉线 568A
- 绿白
- 绿
- 橙白
- 蓝
- 蓝白
- 橙
- 棕白
- 棕
- 交叉线用于同类设备
- 交换机到交换机
- 集线器到集线器
- 主机到主机
- 集线器到交换机
- 路由器直连主机
光纤的传播方式
全反射
- 多模光纤可以传输多个电磁波模式
- 单模光纤只能传播一种电磁波模式
单模光纤细，多模光纤粗
有线电视中使用的是单模光纤，传播特性好，宽带可达10GHZ
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
- 无线传输所使用的的频段很广
- 短波通信主要是靠电离层的反射，但短驳信道的通信质量较差
- 微波在空间主要是直线传播（微波通信延迟较大）
- 地面微波接力通信
- 卫星通信
电信领域使用的电磁波的频谱
集线器(hub)
工作特点：在网络中只起到信号放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
集线器是一个大的冲突域（在同一时间只能有两台设备进行数据传输）
信道复用技术
在一条信道上跑多条数据（要能分开）
- 频分复用
用户在分配到一定的频带以后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率） - 时分复用
每次都按照一定的顺序，将设备要发送的数据依次放入
时分复用可能会造成线路资源的浪费
因为位置都已经被预定了，一辆车就算没有坐满，到时候就也还是要发车
- 统计时分复用
每个数据传输前加上标记，表明自己来自哪个设备 - 波分复用
波分复用就是光的频分复用
数字传输系统
电话局间的中继线路上传送多路电话要用脉码调制（PCM）机制
PCM有两个互不兼容的国际标准
- 北美的24路PCM（简称T1） 速率1.544Mb/s
24路*64k+8k控制信号=1.544Mb/s - 欧洲的30路PCM（简称E1） 速率2.048Mb/s
8000 * 8 * 32=2.048Mb/s
(声音采样率8000hz，提取后是8位二进制数，则一人打电话需要64k的带宽即可完成电话交流)
我国所用为E1
宽带接入技术
- ADSL
所用DMT技术
上传用了25个信道，下载用了225个信道
所以DMT是信道不对称的技术
- HFC网
利用有线电视的铜线
优点：- 具有很宽的频带
- 能够利用已有的相当大的覆盖面的有线电视网
- FTTx技术
光纤到（家，大楼，路边）