计算机网络笔记第二章物理层
适用计算机网络（第七版）
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计算机网第二章
- 第二章 物理层
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- 2.1物理层的基本概念
- 2.2 数据通信的基础知识
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- 2.2.1 数据通信系统模型
- 2.2.2 有关信道的几个基本概念
- 2.2.3 信道的极限容量
- 2.3物理层下面的传输媒体
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- 2.3.1导引型传输媒体
- 2.3.2 非导引型传输媒体
- 2.4信道复用技术
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- 2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用
- 2.4.2 波分复用 WDM
- 2.4.3 码分复用 CDM
- 2.5数字传输系统
- 2.6宽带接入技术
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- 2.6.1 ADSL 技术
- 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）
- 2.6.3FTTx 技术
第二章 物理层
2.1物理层的基本概念
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。
物理层的作用：要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
物理层规程 ：物理层协议
物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。即：
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1）机械特性： 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
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2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。*
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3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
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4）过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
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数据在计算机内多采用并行传输的方式，在通信线路上的传输方式一般都是串行传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统模型
源系统：
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源点：源点设备产生要传输的数据。
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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。
目的系统：
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接送器：接收系统传输过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。
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终点 ：从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。
常用术语：
消息：通信的目的是为了传输消息。
数据 (data) —— 运送消息的实体。
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信（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（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(当然也就不能同时接收)
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
调制——基带信号往往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，因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。
调制分为两大类：
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基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
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带通调制：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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
带通信号 ：经过载波调制后的信号。
编码：把数字信号转换为另一种形式的数字信号。
常用的编码方式：
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不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
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归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
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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。但也可反过来定义。
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差分曼彻斯特编码：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，而位开始边界没有跳变代表 1
从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。
带通调制方法：
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调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
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调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
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调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
正交振幅调制 QAM：达到更高的信息传输速率，技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。数据传输率可提高 4 倍。但由于码元可表示的比特数增多，接受端在进行解调时出错率增加。
2.2.3 信道的极限容量
限制码元在信道上的传输速率：信道能够通过的频率范围与信噪比。
1）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。
码间串扰:信号中的高频分量在传输时受到衰减，在接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限。
奈氏准则:在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
- 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
2）信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误，但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。
信噪比(dB) = 10 * lg ( S / N ) (dB)
香农公式:
信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
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。
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信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
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只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
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若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
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实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
当频率范围与信噪比确定，可以通过编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。提高信息的传输效率。
2.3物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
导引型传输媒体，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,就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
电信领域使用的电磁波的频谱:
2.3.1导引型传输媒体
1）双绞线
最常用的传输媒体，距离较长时模拟传输（加放大器放大衰弱的信号）和数字传输（加中继器对失真信号整形）都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
- 无屏蔽双绞线 UTP
- 屏蔽双绞线 STP
- 对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（绞合度）。
2）同轴电缆
同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
- 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用 
3）光缆
光纤是光纤通信的传输媒体。
由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，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。
全内反射：是一种光学现象。当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θ（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质
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多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
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单模光纤：若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，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
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光纤通信中使用的光波的波段：
常用的三个波段的中心分别位于 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm。
所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，可见光纤的通信容量非常大。
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光纤通讯的优点：通信容量非常大，传输损耗小，中继距离长，抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好，体积小，重量轻。
2.3.2 非导引型传输媒体
短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
无线电微波通信有两种方式：地面微波接力通信与卫星通信 。
- 地面微波接力通信：架设较高的天线塔，在远距离通信时在微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，接力通讯。
- 卫星通信：利用卫星作为中继站的微波接力通讯，具有较大的传播时延
2.4信道复用技术
2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用
复用 (multiplexing)， 是通信技术中的基本概念，它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
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频分复用（FDM）：将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带，所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（“带宽”指频率带宽）。
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时分复用（TDF）：是将时间划分为一段段等长的时分复用帧。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。每一个用户所占用的时隙是周期性地出的。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
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时分复用可能会造成线路资源的浪费
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统计时分复用 STDM (Statistic TDM)：又被称为异步时分复用，解决时分复用的资源浪费问题。
2.4.2 波分复用 WDM
2.4.3 码分复用 CDM
码分多址 CDMA ：类似柬埔寨纸牌预测游戏，一串无意义的字符序列，经过不同的带洞纸牌（纸洞没有重复即“正交”）观察后，形成可以理解的语句，带洞的纸牌不同，则不同用户之间接受到的信息不同，但发送的字符序列是相同的。
码片：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片。
每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列（00000000），该站的码片序列：(-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 ) ，0为-1，1为+1。
- 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。（00000000）
- 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。（11111111)
- 码片序列实现了扩频,假定S站要发送信息的数据率为 b bit/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。
扩频:
- 一种是直接序列扩频DSSS，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
- 另一种是跳频扩频FHSS
重要特点：码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交，在实用的系统中是使用伪随机码序列。
码片序列的正交关系：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，任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1，一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
CDMA工作原理
CDMA码分多址
每个比特划分为m个短的间隔，称为码片。（以下设m为8）
- 一个站发送比特1，则发送自己的m比特的码片序列。
- 一个站发送比特0，则发送自己的码片序列的反码
例
发送 1 1 0
码片序列S：
（0，0，0，1，1，0，1，1）
一般将0写为-1，1写为+1
S:
（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）
发送的信号Sx:
（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）
（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）
（+1，+1，+1，-1，-1，+1，-1，-1）
CDMA的工作原理
S站发送数据S1: 1 1 0，T站发送数据T1: 1，0，1，S站的信号为Sx，T站的信号为Tx。
S：
（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）
T：
（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1）
Sx:
（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）
（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1）
（+1，+1，+1，-1，-1，+1，-1，-1）
Tx:
（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1）
（+1，+1，-1，+1，-1，-1，-1，+1）
（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1）
Tx + Sx:
（-2，-2，0，0，2，0，2，0）
（0，0，-2，2，0，-2，0，2）
（0，0，2，-2，0，2，0，-2）
S1 = S * （ Tx + Sx )
T1 = T * （ Tx + Sx )
证明
Y1 = Y * ( Zx + Yx )
设Zx=(Z1，Z2，… …，Zm) ， Yx=（Y1，Y2，… …，Ym)
Zx，Yx只包含互为反码的两种码片序列，即Z1，Z2，… … Zm，Y1，Y2，… …Ym，要么是码片序列，要么是码片序列的反码，（码片向量与自身规格化内接为1，与自身反码的规格化内积为-1），Y的码片序列与Z码片序列无论是原码还是反码均为正交关系，规格化内积为0，即Y * Zx = 0，则此时 Y1 = Y * Yx。
最终可以得到发送的数据。
2.5数字传输系统
旧的数字传输系统存在的缺点：
- 速率标准不统一
如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。 - 不是同步传输
在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。
当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。
数字传输标准：同步光纤网 SONET与同步数字系列 SDH ，其主要不同点是，SDH体系中的STM-1（155 Mbit/s)，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。
SONET / SDH 标准的意义：
- 使不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。
- 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。
- 已成为公认的新一代理想的传输网体制。
- SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。
2.6宽带接入技术
包括有线宽带接入与无线宽带接入。
2.6.1 ADSL 技术
非对称数字用户线 ADSL：就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务，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：
- 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）。
- ADSL 所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关
离散多音调DMT技术
- “非对称”：上行和下行带宽是不对称的，上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。
- "多音调”: 多子信道。
- DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
ADSL 的数据率
- 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。
- ADSL 不能保证固定的数据率。
ADSL接入网:
第二代 ADSL:
- 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
- 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，自适应地调整数据率。
- 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。
2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）
HFC 网对 CATV 网(有线电视网 )进行了改造。
HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术,模拟光纤从头端连接到光纤结点，即光分配结点 ODN 。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
电缆调制解调器:
- 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。
- 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。
2.6.3FTTx 技术
FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式，FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…) 。
光配线网ODN：光纤干线与用户之间的一段中间的转换装置。
“无源”：光配线网中无需配备电源，无源的光配线网称为无源光网络PON。
ONU：光网络单元。OLT：光线路终端。
最流行的无源光网络：以太网无源光网络EPON与吉比特无源光网络GPON。