计算机网络：物理层

物理层的基本服务功能

物理层处于OSI参考模型的最低层，它向数据链路层提供比特流传输服务。

连接物理层的传输介质可以有不同类型，如电话线、同轴电缆、光纤与无线通信线路，不同类型的传输介质对于被传输的信号要求也不同。

研究人员需要针对不同类型的传输介质和通信技术的特点，制定与之相适应的物理层协议。因此设置物理层的目的是屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务。

物理层协议的类型

物理层协议可分为两类：基于点-点通信线路的物理层协议与基于广播通信线路的物理层协议。

基于点-点通信线路的物理层协议

EIA-232-C标准是基于点-点电话线路的串行、低速、模拟传输设备的物理接口标准，目前很多低速的数据通信设备仍然采用这种标准。

随着Internet接入技术的发展，家庭接入主要通过ADSL调制解调器与电话线路接入，通过线缆调制解调器（Cable Modem）与有线电视电缆接入。ADSL物理层协议定义了上行与下行传输速率标准、传输信号的编码格式与电平、同步方式、连接接口装置的物理尺寸等内容。

基于广播通信线路的物理层协议

广播通信线路可分为有线通信线路与无线通信线路

最早的Ethernet是在共用总线的同轴电缆上用广播的方式发送和接收数据。
无线网络采用广播方式发送和接收数据。

数据通信的基本概念

信息、数据与信号

信息：传统的信息主要指文本或数字类信息。现在逐步发展到包含语音、图形、图像与视频等多种类型的多媒体信息。信息的载体可以是文字、语音、图形、图像或视频。

数据：计算机为了存储、处理和传输信息，首先要将表达信息的字符数字、语音、图形、图像或视频用二进制数据表示。计算机存储与处理的事二进制代码。

信号：通信系统中，二进制代码0/1比特序列必须变换成用不同电平会频率变化的信号之后才能用传输介质传输。

信息与编码

目前，应用最广泛的是美国信息交换标准编码ACSII码。二进制编码按高位到低位（共7位）顺序排列，最高的第八位一般用于字符的校验。

数据通信方式

在传输介质上传输的信号类型有两种：模拟信号与数字信号。
电平幅度连续变化的电信号成为模拟信号，人的语音信号属于模拟信号。传统的电话线用来传输模拟信号。
计算机产生的电信号是用两种不同电平表示0,1比特序列电压跳变的脉冲信号，称为数字信号。

如果通信信道不允许直接传输计算机所产生的的数字信号，那么就需要在发送端将数字信号变换成模拟信号，在接收端再将模拟信号还原为数字信号，这个过程称为调制/解调。

信道与线路是不同的概念：如一条光纤去连接两台路由器，那么这条光纤称为一条通信线路。光纤的带宽很宽，会采用多路复用的方法，在一条线路上划分出多条通信信道，用于发送与接收数据。因此，一条线路包含一条或多条信道。
通信方式主要有串行通信与并行通信，单工、半双工与全双工通信，同步技术。

• 串行通信只需在收发方之间建立一条通信信道。并行通信则建立多条通信信道，并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍。并行通信造价较高，因此远程通信一般采用串行通信。

• 单工、半双工与全双工通信
  

• 同步技术。数据通信的同步包括位同步、字符同步。接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻，这个过程称为位同步。实现位同步的方法有内同步法与外同步法。保证收发双方正确传输字符的过程叫做字符同步。实现方法有同步传输、异步传输（同步通信比异步通信的传输效率高，因此同步通信更适用于高速数据传输。）

传输介质的主要类型与特性

双绞线
双绞线是局域网中最常用的传输介质。分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。每条导线相互绞合的目的是为了使通信线路之间的电磁干扰达到最小。

同轴电缆
同轴电缆是早期的传输介质，由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成。特点是抗干扰能力强。

光纤
光纤是传输介质中性能与应用最好的一种。光纤传输有两种模式。

• 单模光纤，光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单路光载波传输。
• 多模光纤，光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多路光载波传输。
• 单模光纤的性能优于多模光纤

光纤最基本的连接方式是点-点连接，光纤不熟外界电磁干扰与噪声的影响，在长距离、高速率的传输中保持低误码率。随着光纤应用范围扩大，出现了多种以光纤为传输介质的物理层标准。了解光纤的物理层标准，需要注意以下问题。

1. 影响光纤传输距离的因素主要是传输模式、光载波频率、光纤尺寸。
2. 物理层协议规定的物理参数主要包括：传输模式、上行光纤与下行光纤光载波的频率、光线尺寸、光接口，以及光纤最大传输距离。

由于单根光纤可能因为外力作用导致弯曲形变，所以需要用其他高强度材料将多根光纤包裹组成光缆。

• 缆芯是光缆的主体，它包含多根光纤。
• 中心加强芯从来加强光缆的抗拉强度。
• 护套是光缆的外部保护层。
  

无线与卫星通信技术

不同频率的电磁波可以分为无线、微波、红外、可见光、紫外线、X射线与γ射线。目前,用于通信的主要有无线、微波、红外与可见光。描述电磁波的参数有三个:波长、频率与光速，三者关系为：波长 * 频率 = 光速。

移动物体与固定物体、移动物体与移动物体之间的通信都属于移动通信，例如人、汽车、轮船、飞机等移动物体之间的通信。支持移动物体之间通信的系统主要是:无线通信系统、微波通信系统、蜂窝移动通信系统、卫星移动通信系统。

• 无线通信：国际通信组织对各个频段都规定了特定的服务。以高频HF为例，频率在3MHz~ 30MHz之间，被划分成多个特定的频段，分别分配给移动通信(空中、海洋与陆地)、广播、无线电导航、业余电台、宇宙通信与射电天文等方面。
• 微波通信：在电磁波谱中，频率在100MHz~ 10GHz的信号称为微波，对应的信号波长为3cm~3m。只能进行视距传播，大气对微波信号的吸收与散射影响较大。
• 蜂窝无线通信：为了提高覆盖区域的系统容量与充分利用频率资源，人们提出了小区制的概念。小区制是将一个大区覆盖的区域划分成多个小区，在每个小区中设立一个基站，用户手机通过基站接人到移动通信网。小区覆盖的半径较小(一般为1~20km)，可以用较小的发射功率实现双向通信。
• 卫星通信：由于卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、费用与通信距离无关、可进行多址通信与移动通信的优点，因此卫星通信在近年来得到迅速发展，成为现代主要的通信手段之一。

数据编码分类

将发送端的数字信号变换成模拟信号的过程称为调制。实现调制功能的设备称为调制器。
将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程称为解调，实现解调功能的设备称为解调器。

模拟数据信号编码方法

• 振幅键控（ASK）：通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。ASK信号实现容易、技术简单但抗干扰能力较差。
• 移频键控（FSK）：通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。FSK信号实现容易、技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。
• 移相键控（PSK）：通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对调相（两比特信号交界处遇0，载波信号相位不变，；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移π）。 为了提高数据传输速率。人们常采用多相调制的方法，称为正交相移键控(QPSK）。

波特率的定义
调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/s，称为波特(baud)。调制速率也称为波特率，波特率描述的是码元传输的速率。
比特率的定义
数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps，因此也可以称为比特率。
比特率和波特率的关系
比特率S(单位为bps)与调制速率B(单位为baud)之间关系可以表示为: S=B * log₂k。式中k为多相调制的相数。log₂k 值表示次调制状态的变化传输的二进制比特数。

数字数据编码方法

• 非归零码（NRZ）：规定用低电平表示数字0，用高电平表示数字1；也可以有其他表示方法。NRZ码的缺点是无法判断位的开始与结束，收发 双方不能保持同步。为了保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号。
• 曼彻斯特编码：目前最广泛应用的编码方法之一。编码规则：①每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分。②前T/2传送该比特的反码。③后T/2传送该比特的原码。 例如，传送的比特是0，则在周期T中前T/2为高电平，后T/2为低电平。
• 差分曼彻斯特编码：不同于曼彻斯特编码，其规则是①每比特的中间跳变仅做同步使用。②每比特的值根据其开始边界是否跳变来决定。③每个比特开始处如果发生电平跳变，则表示传输二进制0；不发生跳变表示传输二
  进制1。

多路复用技术

研究多路复用技术的原因：一是用于通信线路架设的费用相当高,需要充分利用通信线路的容量;二是网络
中传输介质容量都会超过单一信道所需要的带宽。

时分多路复用
时分多路复用将信道用于传输的时间划分为若千个时间片,每位用户分得一个时间片，用户在其占有的时间片内使用信道的全部带宽。目前，应用最广的时分多路复用方法》贝尔系统的T1载波。T1载波系统是将24路音频PCM编码器信号复用在一条通信线路。时分多路复用又可分为同步时分多路复用与统计时分多路复用。

频分多路复用
频分多路复用是在一条通信线路 上设置多个信道，每个信道的中心频率不相同,各个信道的频率范围互不重叠,这样一条通信线路就可以划分为不同通信频率的多个信道，用于同时传输多路信号。

波分多路复用
波分复用是在一根光纤上复用多路光载波信号。波分复用是光波段的频分多路复用，只要每个信道的光载波频率互不重叠，就可用多路复用方式通过共享光纤进行远距离传输。

码分多路复用
码分多址(CDMA)通过为每一一个用户分配一种码型,使多个用户同时使用一个信道而不互相干扰。CDMA是3G手机移动通信中共享信道的基本方法。