计算机网络笔记整理2——物理层

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参考书籍：《计算机网络》第八版 谢希仁编著

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

物理层接口的基本特性

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。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一点电平的电压表示何种意义
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层的四个特性与协议三要素的对应关系
机械特性——语法
电气特性——语法
功能特性——语义
过程特性——同步

数据通信的基础知识

通信系统的一般模型:

信号：数据的电气的或电磁的表现
模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
信道：表示向某一个方向发送信息的媒体
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形

基带信号：基本频带信号，来自信源的信号
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。这种过程称为编码
带通调制：使用载波进行调制，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，这样能更好地在模拟信道中传输。
带通信号：经过载波调制后的信号。

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。电平在整个码元周期保持不变
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
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。但也可以反过来定义
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.

信道的极限容量

码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围
• 信噪比

信道能够通过的频率范围

奈氏准则：
给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
W是理想低通新道的带宽，单位为赫(Hz)
理想低通信号的最高码元传输速率=2W Baud
_{（例如：信道的带宽为4000Hz，那么最高码元传输速率就是每秒8000个码元）}
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率为每秒2个码元
Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元

理想带通特性信道的最高码元传输速率=W Baud

注意：实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值
设码元传输速率为R_B，信息传输速率为R_b
对二进制码元 R_b=R_B
对M进制码元 R_b=R_Blog₂M

信噪比

信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位
信噪比(dB)=10log₁₀(S/N) (dB)

香农公式

香农公式指出信号的极限信息传输速率C可表示为：
C=Wlog₂(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

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
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
若信道带宽W或信噪比S/N没有上限，则信道的极限信息传输速率C也就没有上限
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

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

传输媒体可分为两大类：
导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播
非导引型传输媒体：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。

导引型传输媒体

双绞线：
最常用的传输媒体，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。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里

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

光缆(光纤)：
利用光导纤维(光纤)传递光脉冲来进行通信，传输带宽远远大于其他各种传输媒体的带宽
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。光脉冲在多模光纤传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输
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

光纤优点

• 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

通信的三种基本方式

1. 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

2. 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、接收

3. 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

信道复用技术

复用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

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中都占用这个频带
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TDM(Time Division Multiplexing)

时分复用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
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

时分复用可能会造成线路资源的浪费

统计时分复用(STDM Statistic TDM)

波分复用WDM(Wavalength Division Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)

常用名词：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，因此彼此不会造成干扰
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现

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

• 如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
• 如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

例如，S站的8bit码片序列是00011011。
发送比特1时，就发送序列00011011,
发送比特0时，就发送序列11100100。
S站的码片序列: (-1-1-1+1+1-1+1+1)

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

CDMA的重要特点
每个站分配的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

令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。
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：

• 一个码片向量和自己的规格化内积是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的工作原理

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积即S*(S_x+T_x)，这相当于分别计算S*S_x和S*T_x，显然S*S_x就是S站发送的数据比特，S*T_x一定是零

数字传输系统

宽带接入技术：有线宽带接入、无线宽带接入
有线宽带接入：
xDSL技术：DSL就是数字用户线，xDSL技术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

xDSL的几种类型

FTTx技术：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

• FTTH(Fiber To The Home)：光纤到户
• FTTB(Building)：光纤到大楼
• FTTC(Curb)：光纤到路边