计算机网络-物理层

计算机网络

1. 计算机网络-物理层

1.1 物理层介绍

1.1.1 物理层概念

• 物理层（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层

• 物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”

1.1.2 物理层四大特性

• 机械特性约束：指明接口所用接线器的形状，性质，尺寸，引线数目排列，固定和锁定装置等
  • 比如无论什么材质的网线都是用的水晶头
• 电气特性约束：规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性，一般包括：
  • 接收器和发送器电路特性的说明
  • 信号的识别
  • 最大传输速率的说明
  • 与互连电缆相关的规则
  • 发送器的输出阻抗
  • 接收器的输入阻抗等电气参数等
• 功能特性：指明物理接口各条信号线的用途（用法），包括：接口线功能的规定方法，接口信号线的功能分类–数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线4类
  • 比如什么范围的电压代表高电频，与电气特性有一种相互对照关系
• 规程特性：指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列
  • 比如报文的小组划分，组装的顺序

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1.2 数据通信系统

1.2.1 数据通信系统模型

（1）数据通信系统的组成

• 源系统(或发送端、发送方)
  • 源点：源点设备产生的要传输的数据
    • 源点又称为源站，或信源，如（DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备，用于发送和接收数据的设备）
  • 发送器：将01比特流转换成相应的物理信号
    • 典型的发送器就是调制器（DCE（Data Circuit-terminating Equipment，数据电路终接设备，用来连接DTE与数据通信网络的设备）。现在好多PC机使用内置的调制解调器(包括调制器和解调器)，用户在PC机外面看不见调制解调器
• 传输系统(或传输网络)
  • 在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线
  • 也可以是连接在源系统和目的系统之间复杂网络系统
• 目的系统
  • 接收器：接受信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流
  • 终点(destination)： 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出(例如，把汉字在PC机屏幕上显示出来)。
    • 终点又称为目的站，或信宿
• 目的系统(或接收端、接收方)

（2）数据通信系统模型

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1.3 信息的传输

1.3.1 信息

（1）消息

• 指语音，文字，图像等等

（2）数据

• 指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处理或者产生

（3）信号

• 指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，信号可以分为以下两大类：
  • 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

1.3.2 信道

（1）信道的基本概念

• 信道是用来表示向某一个方向传送消息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

（2）按双方信息交互方式分类

• 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就是这种类型

• 双向交替通信：又称为半双工通信，即通信双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（也不能同时接收）

  • 这种通信方式是一方发送另一方接收

• 双向同时通信： 也称为全双工通信，即通信双方都可以同时发送和接收消息

1.3.3 信道的极限容量

（1）信道能够通过的范围频率

• 具体信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，就是因为它的频率超过了信道所能承受的最大频率，因此就会造成失真现象

（2）信噪比

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，因此它的瞬时值有时会很大，所以噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，当信号较强时，噪声的影响就相对较小。所以我们就要了解到信噪比的概念。
• 信噪比就是指信号的平均功率和噪声的平均功率之比，单位是分贝：
  • $信噪比(dB)=10{\log }_{10}(\frac{S}{N})(dB)$
  • $S$是信道内所传信号的平均功率，$N$为信道内高斯噪声的功率

（3）信道的极限功率

• 香农公式指出极限信息传输速率$C$是：
  • $C=W{\log }_2(1+\frac{S}{N})$
  • $W$为带宽，$S$是信道内所传信号的平均功率，$N$为信道内高斯噪声的功率
  • 香农公式指出：信道的带宽或者信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
  • 这只是指出理论上的极限速率，实际上要通过不断地技术优化来逼近这个目标

1.3.4 信号调制

（1）基带（base）信号

• 信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，甚至有直流成分，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，可分为：
  • 数字基带信号
  • 模拟基带信号

（2）调制

• 调制主要是分为两大类：
  • 基带调制：对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道的特征相适应，但是变换后的信号仍然是基带信号，这一过程也被称为编码
  • 带通调制：需要使用载波进行调制，将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，这样就能更好的在模拟信道中传输，经过载波调制的信号称为带通信号

（3）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，但是也可以反过来定义

• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

  

（4）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

1.3.5 信道的速率衡量

（1）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
  • 例如：假设一个波形有8种幅度，即一个最小时间段内可能会出现八中波形的一种，每一种波形可以用000，001，…,111分别表示，我们可以称该码元（一个码元）携带了3bit数据量
  • 又比如在曼彻斯特编码中，两个波形（码元）代表了1个bit数据量
• 如果要提高速率和数据传输的有效性，码元必须能过携带足够多的比特信息

（2）比特率

• 表示每秒钟传输的比特数目，单位为"比特每秒"（$bps$）

（3）波特率

• 即 调制速率 或 符号速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的码元数，即单位时间内载波参数变化(相位或者幅度)的次数。它是对信号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”（Bps）为单位

• 在M进制调制中,比特率$Rb$和波特率$Rs$之间的关系为:

  • $Rb=Rs{\log }_{2}M$

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1.4 信道复用技术

• 复用是通信中的基本概念，它是指允许用户使用一个共享信道来进行通信，达到降低成本，提高利用率的效果

1.4.1 频分复用FDM

• 频分复用是指将带宽分为多份，用户在分到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用着这一条频带，也就是说频分复用的用户是在同样的时间占用不同的带宽资源

  

1.4.2 时分复用TDM

• 时分复用TDM，它是指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。而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）。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

  • 但是当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道利用率一般是不高的

  

1.4.3 统计时分复用STDM

• 类似于TDM的，只是STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态的分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率

  

1.4.4 波分复用WDM

• 波分复用WDM就是光的频分复用，也就是使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

  

1.4.5 码分复用CDM

• 码分复用CDM是另一种共享信道的方法。而人们更常使用码分多址CDMA来称呼它。这种复用方式的具体做法是可以让每一个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各个用户使用经过特殊的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。而且通过这种方式发送的信号具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不容易被他人发现

• 分复用的工作原理是将每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称之为码片。一般情况下m的值是64或128

• 使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。举例来说：

  • 如果S站的8 bit码片序列是 00011011
    发送比特1时，就发送序列：00011011
    发送比特0时，就发送序列：11100110

    为了方便起见，我们会将码片中的0写为-1，1写为+1。

  

  • 现假定S站要发送信息的数据率为b bits/s，由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种方式就是扩频的一种。

    • 扩频通信通常有两大类，
      • 直接序列扩频DSSS，
      • 跳频扩频FHSS。

    CDMA系统的重要特点是每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交，并且在实用的系统中是使用伪随机码序列。

    我们可以用数学公式来表示码片序列的这种正交关系。先令向量S表示站s的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。那么两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积等于0，即：

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

    正交关系的另一个重要特性是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或者一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1，即：

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

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1.5 物理层的传输媒体

1.5.1 引导性传输媒体

（1）双绞线

• 双绞线就是指将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。

  • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
  • 电话系统是使用双绞线最多的地方，从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线
  • 模拟传输和数字传输都会用到双绞线，其通信距离一般是为几到几十公里
  • 屏蔽双绞线STP：通过在双绞线外面再加一层用金属丝编织而成的屏蔽层从而提高双绞线的对抗电磁干扰能力

• 按速度分类：

  • 10Base-T
  • 100Base-T
  • 1000Base-T
    • 带宽 基带信号 - Twist（双绞线）

• 序列标准

  • EIA/TIA 568A的线序定义依次为：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕
  • EIA/TIA 568B的线序定义依次为：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕

（2）同轴电缆

• 同轴电缆内由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。由于其特有的构造，所以同轴电缆有着良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
  • 目前同轴电缆主要用在有线电视网的信号传输当中
  • 带宽是取决于导体铜质芯线的质量的

（3）光缆

• 光纤是光缆通信的传输媒体，由于可见光的频率非常之高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽

  

  • 多模光纤：存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤

  • 单模光纤：由于光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，所以多模光纤只适合于近距离传输。如果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一样，使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就称为单模光纤

  • 光纤不仅具有通信容量大的特点，还有其他的一些特点：
    1.传输损耗小
    2.抗雷电和电磁干扰性能好
    3.无串音干扰，保密性很高
    4.体积小，重量轻

1.5.2 非引导性传输媒体

• 我们将自由空间称为非导引型传输媒体，简单来说就是指无线传输

（1）短波通信（高频通信）

• 主要是靠电离层的反射来进行传输。但是短波信道的通信质量较差，传输速率较低

（2）无线电微波通信

• 微波在空间中主要是以直线传播。传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

  • 要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如ISM，各国的ISM标准可能略有差异

  

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1.6 宽带接入技术

• 宽带的接入技术主要包括
  • 有线宽带接入
  • 无线宽带接入

1.6.1 有线宽带技术

（1）ADSL技术

• ADSL技术的全称是非对称数字用户线技术，具体指的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。具体来说ADSL技术就是把0-4 kHZ这一段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。

• ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。而ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

• ADSL在数据率方面由于用户在线的具体条件相差较大，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到干扰的情况以及在每一个频率上测试信号的传输质量。但是ADSL不能保证固定的数据率，所以对于用户线很差的甚至无法开通ADSL。

• 基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：

  • 数字用户线接入复用器
  • 用户线
  • 用户家中的一些设施。

• ADSL技术也在发展，现在已经有了更高速率的ADSL标准，称之为第二代ADSL，第二代ADSL改进的地方主要是：
  **1.**通过提高调制效率得到了更高的数据率。
  **2.**采用了无缝速率自适应技术SRA，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率。
  **3.**改善了线路质量评测和故障定位功能。

（2） 光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC网是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，除了可以传送CATV外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

• 为了提高传输的质量，HFC网将原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，而光纤从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换为电信号，最后信号被送到每一个用户的家庭。

  

  • 电视家要接收到信号就必须在同轴电缆和电视机之间装上一个机顶盒，同时还需要安装一个电缆调制解调器来使用户能够利用HFC网接入到互联网。

（3） FTTx技术

• FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带接入的方式。这里的x代表不同的光纤接入地点，例如FTTH光纤到户，FTTB光纤到大楼等等。

• 现在的长距离信号传输大都是采用光纤传输，只有在到了临近用户家中时，才将光纤转换为铜缆。但是一个用户是远用不了一根光纤的通信容量，因此我们在光纤干线和用户之间安装一种转换装置即光配线网，使得许多用户能够共享一根光纤的通信容量。由于光配线网无需使用电源，因此我们将其称为无源光网络。

  

1.6.2 无线宽带接入

• 宽带无线接入(Broadband Wireless Access，BWA)技术目前还没有通用的定义，一般是指把高效率的无线技术应用于宽带接入网络中，以无线方式向用户提供宽带接入的技术。

• IEEE 802标准组负责制定无限宽带接入BWA各种技术规范，根据覆盖范围将宽带无线接入划分为：无线个域网WPAN(Wireless Personal Area Network)、无线局域网WLAN、无线城域网WMAN、无线广域网WWAN。

• 无线宽带接入技术主要包括：

  • 以IEEE 802.20为代表的无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）技术
  • 以WiMAX（IEEE 802.16）为代表的无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）技术
  • 以Wi-Fi（IEEE 802.11）为代表的无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）技术
  • 以UWB（IEEE 802.15.3）为代表的无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）技术

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