网络协议-物理层

物理层

概述

物理层负责完成网络节点之间的比特流传输，在物理层，经过编码的比特流被转换成相应的物理信号，在传输介质上进行传输，物理层并不包括各类传输介质。

 

信息、数据和信号

通信双方的通信目的是进行信息交换，信息的载体是字符、语音、音乐、图形、图像、视频等，计算机对信息进行数据编码。

信号是数据传输过程中的表现形式，分为模拟信号和数字信号。

 

数据通信的主要技术标准

数据传输速率有两种表现形式码元速率和信息速率

码元速率

数字通信系统中，数字信号用离散值表示的，一个离散值就是代表一个码元，0/1两元制，一个码元携带一个bite，16元制则是一个码元携带四个bite，eg： 0001。

码元速率是指每秒传送多少码元，也成调制速率，波形速率或符号速率，单位baud。

 

理想低通信道的最高码元速率 = 2W

W： 理想低通道带宽

该公式表明码元率受制于带宽，如果超过就会出现码间串扰。

信息速率是指每秒传输的信息量，单位是bite/s

奈奎斯特定理：   ( bps )  (C:信息速率，B:码元速率,M:几元制)
C=B*log2(1+S/N) （ log2表示以2为底的对数）(bit/s)

该式通常称为香农公式。B是信道带宽（赫），S是信号功率（瓦），N是噪声功率（瓦）。
香农公式中的S/N 为无量纲单位。如：S/N＝1000（即，信号功率是噪声功率的1000倍）
但是，当讨论信噪比（S/N）时，常以分贝（dB）为单位。公式如下：
SNR(信噪比，单位为dB)=10LG（S/N)
换算一下：
S/N=10^(SNR/10)
　　公式表明，信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类

误码率和误信率指的是错误接受码元、比特占接受码元、比特的比率。

 

数据通信的同步方式

为保证通行双方正常交换数据，必须保证协同工作。为保证数据发送方和接受方同步，有两种实现数据同步的方式：异步传输方式和同步传输方式。

异步传输方式

在每个要传送的字符码前面都要加上字符起始位，用以表示字符码的开始，还要加上终止位表示数据结束，接收方根据终止位和起始位判断字符的开始和结束。

同步传输方式

对信息加入同步字符，为保证发送时钟和接受时钟的严格同步，进一步采取位同步。两种方式，第一种添加信道，额外传输同步时钟。第二种，将时钟信号编码到发送的数据中去。

 

数据编码和调制技术

 

数字基带传输

数字信号用高低电平表示0,1的矩形脉冲信号，这种脉冲信号所固有的频带称为基本频带，因此数字信号也称为数字基带信号。

数字频带传输

在信道中传输调制后信号的过程称之为数字频带传输，信号调制的目的是使信号能够更好的适应通道传输频率特性，以减少信号失真。

信号传输常见码型

 

归零码

归零码（Return to Zero,RZ），即码元中间信号回归到零电平，比如从正电平到零电平的转换表示码元“0”，而从负电平到零电平表示码元“1”。

双相码

双相码要求每一位中都要有一个电平转换。因而这种代码的最大优点是自定时，同时双相码也有检测错误的功能，如果某一位中间缺少了电平翻转，则被认为是违例代码。

非归零电平编码

非归零电平编码(Non-Return to Zero Level,NRZ-L)，即不使用0电平，用正电平表示“1”，负电平表示“0”。

非归零反相编码

非归零反相编码(Non-Return to Zero Inverted,NRZ-I)，即当“1”出现时电平翻转，当“0”出现时电平不翻转。这种代码也叫差分码。

曼彻斯特码

曼彻斯特码（Manchester），高电平到低电平的转换边表示"0"，低电平到高电平的转换边表示"1"，位中间的电平转换边既表示数据代码，也作定时信号使用。曼彻斯特编码用在以太网中。

差分曼彻斯特码   

差分曼彻斯特码(Differential Manchester)，也叫做相位编码（PE）；常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，“0”表示位的开头有跳变，“1”表示位的开头没有跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。

多电平编码：

码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位。

4B/5B编码

这是兆位快速以太网的光纤分布式数据接口（FDDI，Fiber Distributed Data Interface）中采用的信息编码方案。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，每四位二进制代码由5位编码表示，这5位编码称为编码组（code group），并且由NRZI方式传输。

脉冲编码调制

将模拟信号转化为数字信号的基本方法，包括采样，量化，编码三个步骤

 

数字信号的调制

通常对数字数据进行调制的基本方法包括：幅移键控、频移键控和相移键控。

 

多路复用技术

频分多路复用FDM、波分多路复用WDM、时分多路复用TDM

 

频分多路复用

频分多路复用的主要特点是，信号被划分成若干通道（频道，波段），每个通道互不重叠，独立进行数据传递。每个载波信号形成一个不重叠、相互隔离（不连续）的频带。接收端通过带通滤波器来分离信号。频分多路复用在无线电广播和电视领域中的应用较多。ADSL也是一个典型的频分多路复用。ADSL用频分多路复用的方法，在PSTN使用双绞线上划分出三个频段：0~4kHz用来传送传统的语音信号；20~50kHz用来传送计算机上载的数据信息；150~500kHz或140~1100kHz用来传送从服务器上下载的数据信息。

时分多路复用技术TDM

时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片段的方法来实现多路复用。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片段，每个用户分得一个时间片。时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间片进行通信。由抽样理论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上的离散信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供条件。具体说就是把时间分成一些均匀的时间片，通过同步（固定分配）或统计（动态分配）的方式，将各路信号的传输时间配分在不同的时间片，以达到互相分开，互不干扰的目的。

时分多路复用技术还分为同部分时复用和异步分时复用。

波分多路复用

波分复用用同一根光纤内传输多路不用波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。因为光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，还有很大的范围没有利用。

也可以这样认为WDM是FDM应用于光纤信道的一个变例。如果让不用波长的光信号在同一根光纤上传输而互不干扰，利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就可以增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息，因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保持每个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。

如果将一系列载有信息的不同波长的光载波，在光领域内以1至几百纳米的波长间隔合在一起沿单根光纤传输，在接收器再一一定的方法，将各个不同波长的光载波分开。在光纤上的工作窗口上安排100个波长不同的光源，同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就能使光纤通信系统的容量提高100倍。

码分多址

码分多址是采用地址码和时间、频率共同区分信道的方式。CDMA的特征是个每个用户有特定的地址码，而地址码之间相互具有正交性，因此各用户信息的发射信号在频率、时间和空间上都可能重叠，从而使用有限的频率资源得到利用。

CDMA是在扩频技术上发展起来的无线通信技术，即将需要传送的具有一定信号带宽的信息数据，从一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端也使用完全相同的伪随机码，对接受的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

不同的移动台（或手机）可以使用同一个频率，但是每个移动台（或手机）都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“序列码”都不相同，因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台（或手机），所以各个用户相互之间也没有干扰从而达到了多路复用的目的。

 

数据交换技术

数据在通信子网中的交换方式分为两大类：电路交换和存储转发交换。其中存取转发的是报文还是分组，存取转发交换方式又可分为报文交换方式和分组交换。

电路交换，也称为线路交换，采用电路交换进行通信过程可分为三个阶段：建立连接方式、通信阶段、释放阶段。电路交换方式不适合计算机通信，因为利用率低，会造成数据丢失，无法纠正通信过程中的错误。

分组交换，把需要发送的报文分成若干个小组，每个小组的长度是可变的，通信是不需要实现建立利好连接，允许一发多收和多发一收。

该技术在实际应用中分为数据报和虚电路。

 

物理层的传输介质

导向传输介质 双绞线，同轴电缆，光纤

非导向传输介质 无线电波、微波通信、微信通信、红外通信、自由空间激光通信，以及最新的量子通信。

 

以上所有就是网络通信中物理层的组成元素。