计算机网络学习之物理层篇

物理层基本概念

物理层考虑的是怎样才能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。用于物理层的协议也常称为物理层的规程(procedure)

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三部分，即源系统(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)
源系统一般包括以下两个部分
源点(source)：源点设备产生要传输的数据，源点又称为源站或信源
发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输，如调制器
目的系统一般包括以下两个部分
接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息，如解调器
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，终点又称为目的站或信宿。
常用术语
通信的目的是传送消息(message)，如话音、文字、图像、视频
数据(data)是运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，是由意义的符号序列
信号(signal)是数据的电气或电磁的表现
根据参数取值方式不同，可以分为以下两类
模拟信号，或连续信号：代表消息的参数的取值是连续的
数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的
在使用时间域(简称时域)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。二进制编码时，只有两种不同码元，一种代表0状态，另一种代表1状态

有关信道的几个基本概念

信道(channel)：用来表示向某一个方向传送信息的媒体
从通信的双方信息交互的方式来看，有以下三种方式：
单向通信：又称为单工通信，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：又称为半双工通信，通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(不能同时接收)。一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来
双向同时通信：又称为全双工通信，通信的双方可以同时发送和接收信息
来自信源的信号常称为基带信号(基本频带信号)，基带信号包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此需要对基带信号进行调制(modulation)。
调制分为两大类，一类时只对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制时把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此这种过程称为编码(coding)。另一类调制需要使用载波(carrier)进行调制，把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，这种信号称为带通信号(仅在一段频率范围内能够通过信道)，使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式

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
曼切斯特编码：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，也可以反过来定义
差分曼切斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
曼切斯特(manchester)编码产生的信号频率比不归零制高，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(没有自同步能力)，曼切斯特编码具有自同步能力。

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。0或1分别对应于无载波或有载波输出
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。0或1分别对应于频率f1或f2
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。0或1分别对应于相位0度或180度

信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率因素有两个

信道能够通过的频率范围

具体的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。
在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰
1924年奈奎斯特(Nyquist)推导出了奈氏准则
在任何信道中，码元传输的速率时有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决(识别)成为不可能

信噪比

信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，用分贝(dB)作为度量单位
信噪比(dB)=10〖log〗_10 (S/N)(dB)
1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了香农公式，信道的极限信息传输速率C
C=W〖log〗_2 (1+S/N)(bit/s)
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
香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输
频带宽带已确定的信道，信噪比不提高，码元传输速率达上限时，可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

物理层下面的传输媒体

传输媒体也成为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体，导引型媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，非导引型传输媒体就是自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输称为无线传输。

导引型传输媒体

双绞线

双绞线又称为双扭线，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(twist)起来就构成了双绞线。绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。
在双绞线外面加一层用金属丝编织成的屏蔽层就是屏蔽双绞线，简称STP(Shielded Twisted Pair)

同轴电缆

由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。优点是具有很好的抗干扰特性，广泛用于传输较高速率的数据

光缆

光纤通信是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲为1，没有光脉冲为0
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
光纤的直径减小到只有一个光的波长，则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，这种光纤称为单模光纤
光纤的优点：

1. 通信容量非常大
2. 传输损耗小，中继距离长，对远程传输特别经济
3. 抗雷电和电磁干扰性能好
4. 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
5. 体积小，重量轻

非导引型传输媒体

无线传输使用不同波段进行通信
低频(LF)：30kHz~300kHz
中频(MF)：300kHz~3MHz
高频(HF)：3MHz~30MHz
甚高频(VF)：30MHz~300MHz
特高频(UF)：300MHz~3GHz
超高频(SF)：3GHz~30GHz
极高频(EF)：30GHz~300GHz
传统的微波通信主要有两种方式
地面微波接力通信和卫星通信
微波接力通信优点：

1. 波段频率很高，频段范围很宽，因此通信信道容量很大
2. 传输质量较高
3. 建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河

微波接力通信缺点：

1. 相邻站之间必须直视，不能有障碍物，容易失真
2. 传播时会受到恶劣气候的影响
3. 隐蔽性和保密性较差
4. 对大量中继站的使用和维护要耗费较多人力和物力

卫星通信优点：

1. 通信距离远，费用与距离无关，覆盖面广
2. 频带很宽，通信容量很大，信号受干扰较小，通信比较稳定
3. 具有较大的传播时延

卫星通信缺点：

1. 保密性相对较差
2. 技术复杂，造价较贵

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

最基本的复用就是频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)，频分复用最简单，特点时用户子啊分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用了这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用是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。TDM信号也称为等时(isochronous)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。
在进行通信时，**复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)**是成对使用
统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现，统计复用又称为异步时分复用，普通时分复用称为同步时分复用。

波分复用

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用，在一根光纤上复用两路光载波信号；在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号称为密集波分复用DWDM

码分复用

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道方法，又称为码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被人发现
每一个比特时间再划分为m个短的间隙，称为码片(chip)，通常m为64或128
扩频通信有两类，一是直接序列扩频DSSS，二是调频扩频FHSS
CDMA系统重要特点是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，且必须互相正交(orthogonal)，实际中使用伪随机码序列

数字传输系统

早期数字传输系统存在的缺点：

1. 速率标准不统一
2. 不是同步传输

1988年美国推出同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)
1988年通过G.707~G.709三个建议书(同步数字系列SDH)

宽带接入技术

宽带下行速率为25Mbit/s，上行速率为3Mbit/s
根据接入的媒体划分
一是有限宽带接入
二是无线宽带接入

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过的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载宽带数字业务。
ADSL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
ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器，我国采用离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术
基于ADSL的接入网由三大部分组成
数字用户线复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)、用户线、用户线家中的一些设施
数字用户线复用器包括许多ADSL调制解调器，ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU，ADSL调制器必须成对使用，因此电话端局(远端站)为ATU-C(C代表端局(Central Office))，用户家中为ATU-R(R代表远端(Remote))
ADSL最大好处是利用现有电话网中的用户线(铜线)，不需要重新布线
第二代ADSL改进：

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(Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率
3. 改善了线路质量评测和故障定位功能

ADSL不适用于企业，用于企业的有：
DSL(Symmetric DSL)：把带宽平均分配到下行和上行两个方向，每个方向速度为384kbit/s或1.5Mbit/s，距离为5.5km或3km
HDSL(High speed DSL)：使用一对线或两对线的对称DSL，用于替代T1线路的高速数字用户线，数据速率可达768kbit/s或1.5Mbit/s距离为2.7~3.6km
VDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线，比ADSL更快，用于短距离传送(300_{1800m)，下行速率达50}55Mbit/s，上行速率为1.5~2.5Mbit/s
VDSL2：上行和下行速率可达100Mbit/s
Giga DSL：华为于2012年研制，使用时分双工TDD(Time Division Duplex)和OFDM技术，有效降低辐射干扰和设备功耗，100m内上下行速率达1Gbit/s，200m内速率可达500Mbit/s

光纤同轴混合网(HFC网)

光纤同轴混合网(HFC网，Hybrid Fiber Coax)，是覆盖很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，可传送电视节目，提供电话、数据和其他宽带交互型业务

FTTx技术

光纤到户FTTH(Fiber To The Home)
存在两个问题：

1. 价格不够便宜
2. 一般家庭用户并没有这样高的数据率需求

多种宽带光纤接入方式，称为FTTx，表示Fiber To The…，x代表不同光纤接入点，FTTx是把广电转换的地方，从用户家中向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方
为了有效利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，需要一段中间的转换装置即光配线网ODN(Optical Distribution Network)，使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线
无源的光配线网称为无源光网络PON(Passive Optical Network)
光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同波长
无源光网络PON最流行的有以下两种：
以太网无源网络EPON(Ethernet PON)，2004年6月形成了IEEE标准802.3ah，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。
EPON优点：

1. 与现有以太网的兼容性好，成本低，扩展性强，管理方便

吉比特无源光网络GPON(Gigabit PON)标准是ITU在2003年1月批准的ITU-I G.984，采用通用封装方法GEM(Generic Encapsulation Method)，可承载多业务，对各种业务类型都能提供服务质量保证
光纤到路边FTTC(Curb)
光纤到小区FTTZ(Zone)
光纤到大楼FTTB(Building)
光纤到楼层FTTF(Floor)
光纤到办公室FTTO(Office)
光纤到桌面FTTD(Desk)