第二章 物理层

目录

数据通信基本原理 

 常见的传输介质

宽带接入技术 

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在数据通信的过程中，首先考虑的是信息如何通过物理层传输给对方。也就是在传输媒体上传输数据比特流。现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常多，而通信手段也有许多不同的方式。物理层的主要任务就是对传输媒体做出一些规定，来规避不同通信方式之间产生的差异性。

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的意义。

过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信基本原理 

 一个完整的数据通信系统可以划分为源系统（或发送端、发送方）传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。源点设备产生要传输的数据，（例如从计算机键盘输入汉字，计算机产生的数字比特流）通过一系列的编码后再通过传输系统（或传输媒介）进行传输。当数据的接收方收到传输过来的信号后，同样需要解码设备进行一系列的解码后还原出发送端的数字比特流。然后将其信息输出。（例如把汉字显示在屏幕上）

通讯模型

 根据信号的形态还可以分为模拟信号和数字信号，当代表消息的参数取值是连续的称为模拟信号，当代表消息的参数取值是离散的称为数字信号。在很多情况下我们使用“信道”这一概念表示向某一个方向传送信息的媒体，因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信双方信息交互的方式来看可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信。

单工通信：即只有一个方向的通信，而没有反方向的交互。（能发不能收，如无线电广播）

半双工通信：即通信的双方都可以收发信息，但是不能同时收发。如对讲机

全双工通信：即通信的双方可以同时收发信息。

 常见的传输介质

 在数据通信中，传输介质就是在传输系统中在发送端和接收端之间的物理通路。常见有双绞线、同轴电缆、光纤等

1、双绞线

双绞线就是把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就构成了双绞线。在日常使用过程中为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，会在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），它的价格一般比无屏蔽双绞线（UTP）要贵一些。

一条网线是由8根互相绝缘的铜导线构成的，按照线序可以分为 直通线（T568A）和交叉线（T568B）；

直通线（T568A）线序：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕；

交叉线（T568B）线序：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；

T568A与T568B线序

 在使用直通线或交叉线的时候，必须保证双绞线两端的线序一致且一一对应，直通线一般用于不同种设备之间的连接，如路由器与交换机、交换机与电脑等之间的连接。交叉线一般用于同种设备之间的连接，如电脑与电脑、路由器与路由器等之间的连接。随着技术的不断进步，很多通信设备逐渐已经自动识别所对应的线序了，T568A与T568B之间的差异也逐渐被缩小。

 

1995年，美国点子工业协会划分了5个种类的UTP标准（从1类线到5类线）。对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线。各个类别的UTP主要的差异就是每单位长度的绞合次数不同。通过对各线对之间的绞合次数的控制，是干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了线路的传输速率。

 

2、同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速率的数据。在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体，但随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视的居民小区中。

 

3、光纤

 光纤通信就是利用光导纤维，传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲则相当于0；由于可见光的频率非常高，约为10的八次方MHz量级，所以光纤通信的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细其直径只有8~10um。包层较纤芯有较低的折射率，当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角。因此如果入射角足够大就会出现全反射。光线碰到包层就会折射回纤芯，这个过程不断重复光就沿着光纤传输下去了。

光线在光纤中的折射

 在实际情况中可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽造成失真。因此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，那么光纤就像一根波导那样可以使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤被成为单模光纤。单模光纤的纤芯很细只有几个微米，制造成本较高通常用于远距离传输。

多模光纤和单模光纤

 

宽带接入技术 

 用户想要连接到互联网，就必须先连接到某个ISP（即Internet服务供应商）以便获得上网所需的IP地址。在互联网初期，用户都是利用电话钱通过调制解调器连接到ISP的。经过多年的努力接入的互联网最高的速率只能达到56kbit/s，为了提高用户的上网速率近年来已经有了多种宽带技术进入用户的家庭中。

1、ADSL技术

非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术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。ADSL技术就是将模拟电话信号的0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。由于用户在上网时主要从互联网上下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽，故称为非对称。

ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器（俗称“猫”），这种调制解调器最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。常用语一些老的建筑、住宅小区。

ADSL调制解调器

 

2、光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网（HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coaxial的缩写）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。除可传送电视节目外还能提供电话、数据和其它宽带交互型业务。为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为了光纤。光纤从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换成了电信号，然后荣国同轴电缆传送到每个用户家庭。从头端到用户家庭所需的放大器数量也就减少到4~5个。连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。

HFC网结构图

 

3、FTTx技术

随着互联网的发展，互联网上已经有了大量的信息和资源。这时尽快提升用户的上网速度就是各ISP的首要任务。

从技术上讲光纤到户FTTH（Fiber To The Home）应该就是最好的选择，所谓光纤到户就是把光纤一直铺设到用户的家里。只有在光纤进入用户的家庭后再将光信号转换为电信号，这样才可以使用户获得最高的上网速率。

现在已有很多种不同的FTTx，除了光纤到户FTTH外还有光纤到路边FTTC（C表示Curb）、光纤到小区FTTZ（Z表示Zone）、光纤到大楼FTTB（B表示Building）、光纤到楼层FTTF（F表示Floor）、光纤到办公室FTTO（O表示office）、光纤到桌面FTTD（D表示Desk）等等。

目前很多运营商所宣传的“光纤到户”，往往并非真正的FTTH。对于普通用户来说基本是FTTB或FTTF，有的运营商称之为“光纤宽带”或者“光纤加局域网”，即ISP到大楼或者楼层是光纤，到用户则采用5类线作为传输媒体。这样表述较为准确。