二、物理层

（一）数据通信

1、数据通信的基本概念

信号分为模拟信号和数字信号，下图左模拟，右数字，传送信号的通道叫信道

基带：基本频带，未经调制的信号占用的频率范围

宽带：划分为多个频带的基带

2、传输速率

（1）数字通信系统的有效程度用码元传输速率和信息传输速率来表示

码元：波形，上图左2个码元

码元速率/波特率：单元时间内波形数，单位波特Baud，简写B

比特率/信息传输速率/信息速率：单位时间内传输的比特数，单位比特每秒bit/s、b/s、bps

比特率=波特率×log2N

（2）带宽：传输过程中信号不会明显减弱的一段频率范围，单位赫兹Hz

W=最高频率-最低频率

（3）信噪比：信号功率与噪声功率的比值

信噪比与分贝：1dB=10×log10（S/N）

（4）数据速率

无噪声（理想情况）：尼奎斯特定理：最大数据速率=2W×log2N=B×log2N

有噪声：香农定理：极限数据速率=W×log2（1+S/N）

• N：码元总类数

• W：带宽

• B：波特率

• S：信号功率

• N：噪声功率

• dB：分贝

（5）误码率：错误码元率/码元总数

（6）单位换算

通信换算进率1000，eg：1G=1000M

存储换算进率1024，eg：1G=1024M

（7）信道延迟

电缆信道延迟：200m/us=200km/ms=200000km/s

卫星信道延迟：270ms（不用考虑距离，直接加上就行）

3、调制与编码

调制：数字信号->模拟信号

编码：模拟信号->数字信号

• 记忆：模拟信号编码成101010数字信号，另一个反过来

（1）模拟信号调制为模拟信号

目的：调制器对传输介质不能传输的基带信号中的低频或直流信息进行调制

方法：调幅AM、调频FM、调相PM

（2）模拟信号编码为数字信号

脉冲编码调制PCM，过程采样（取模拟信道的2倍）、量化（等级）、编码（二进制）

采样周期125us，语音最大频率3.4kHz，采样频率=1s/125us=8kHz

语音系统采用128级（log2（128）=7位）量化，8kHz采样频率，有效数据速率56kb/s（7×8），传输每7比特添加1比特的信令位，语音信道数据速率64kb/s

样本量化为256个等级就是log2（256）=8位

（3）数字信号调制为模拟信号

调制技术	码元种类N/比特位n (n=log2N)	特点
ASK（幅移键控）amplitude shift keying	2/1	调整波形的幅度
FSK（频移键控）frequency shift keying	2/1	调整波形的疏密
PSK（相移键控）phase shift keying	2/1	调整波形的初始相位（即起始方向）
BPSK（二进制相移键控）	2/1
QPSK(4PSK)（四相移键控）	4/2
DPSK（正交相移键控）	4/2
2DPSK（差分相移键控）	2/1
8PSK（八移相键控）	8/3
MPSK（多进制数字相位调制）
QAM（正交幅度调制）		幅度相同相位相差90°
4QAM	4/2

（4）数字信号调制为数字信号

极性编码：使用正负电平和零电平来表示的编码。因为始终使用恒定的电平表示0或1，当发送连续多个“1”或“0”，将无法直接从信号判断个数，因此，需要时钟信号定时

归零性编码

4B/5B编码原理

各种编码效率

	效率	应用
4B/5B	80%	百兆以太网
8B/10B	80%	千兆以太网
64B/66B	97%	万兆以太网
曼码	50%	以太网
差分曼码	50%	令牌环网

4、数据传输方式

异步通信数据速率=每秒钟传输字符数×（起始位+终止位+校验位+数据位）

异步通信有效数据效率=每秒钟传输字符数×数据位

5、数据交换方式

		定义	优点	缺点	eg
线路交换/电路交换		通信期间霸占整个链路，结束通信后释放	独占性，实时性，适合传输大量数据	需要建立一条物理连接，利用率低	早期电话系统
报文交换		在发送数据时，不管数据的长度是多少，都把它组织成一个报文，报文中含有目标结点和地址，每一个节点接收整个报文，在适当的时候转发到下一个结点	不需要专用通道，线路利用率高，存储转发节点可检验纠错	有通信时延	物流包裹
分组交换	数据报	限制数据的最大长度，发送节点将一个长报文分割成多个具有相同报文号和不同分组编号的分组，每个分组带有完整的源和目的结点的地址信息，独立进行传输。每经过一个中间结点，都会根据一定的路由选择算法选择一条最佳输出路线。当一个报文的所有分组全部到达目的节点时，将按分组编号重组以恢复原来的报文。	单向传送，不需要建立连接	每个分组独立选路，不完全走一条路，可靠性差	邮局寄信
	虚电路	先在源主机和目的主机之间建立一条逻辑通道，所有报文按顺序沿逻辑通道传输数据，传输完毕后释放。这条线路并不是专用的，因此是虚电路。典型应用有X.25、帧中继、ATM	交互式，可以进行流量控制和差错控制，可靠性高，适合远程控制和文件传送	不如数据报方式灵活	挂号信

（1）电路交换之PSTN公共交换电话网

利用电话线+Modem拨号上网，PSTN升级是ISDN，再升级是ADSL

PSTN特性

1、机械特性：描述了DTE和DCE之间物理上的分界线，在微型机的RS-232-C串行接口上可以使用9针或25针的D型连接器

2、电气特性：RS-232-C的电气特性采用V.28标准电力，在传输距离小于15m时，最大数据速率为20kb/s，，信号电平-3~-15V代表逻辑1，+3~+15V代表逻辑0，另外两种常用的电气特性是V.10和V.11

3、功能特性：对接口连线的功能给出明确定义。RS-232-C采用的标准是V.24，V.24为DTE/DCE接口定义 44条连线，为DTE/ACE定义了12条连线。按照V.24的命令方法，DTE/DCE连线用1开头的三位数字命名，DTE/ACE连线用2开头的三位数字命名

4、过程特性：规定了使用接口线实现数据传输的操作过程

• Modem调制解调器：作用是把电话线里面的模拟信号和数字信号互相转换，V.90标准可以达到56kb/s，俗称“猫”

• 数据终端设备DTE，无时钟，eg路由器、PC、终端

• 数据通信设备DCE，有时钟，同步信号，egCSU/DSU、NT1、广域网交换机、MODEM

• 自动呼叫设备ACE

（2）电路交换之ISDN综合业务数据网

实现PSTN的数字化，基于电路交换，把数据、声音、视频信号三合一传输

ISDN的两种接口（只能用来传输数据）：

1、基本速率接口BRI=2B+D=2×64+16=144kb/s

2、基群速率接口PRI=30B+D=3064+64=1.984Mb/s

ISDN分类：

	传输速率	应用
N-ISDN（Narrowband ISDN窄带综合业务数字网）	传输速率在2Mbit/ s 以下的 ISDN 服务	主要用于提供传统电话服务，具有低带宽和高延迟的特点。它主要用于提供语音传输服务，并不能支持高带宽的应用
B-ISDN （Broadband ISDN宽带综合业务数字网）	传输速率在2Mbit/s以上的ISDN	基于ATM技术，主要用于提供宽带数据传输服务，具有高带宽和低延迟的优势。它能够支持多种不同的应用，包括视频会议、虚拟现实、视频监控等

（3）电路交换之ADSL非对称数字用户线路

详见下方xDSL技术介绍

（4）分组交换之X.25

工作在物理层、数链层、网络层

面向连接 采用虚电路，后退N帧ARQ，滑动窗口默认为2

（5）分组交换之帧中继FR

由X.25演变而来，工作在物理层和数链层

在第二层建立虚电路，在帧中继的虚电路上可以提供不同的服务质量。帧中继提供两种虚电路：交换虚电路SVC和永久虚电路PVC。帧中继虚电路标识符是DLCI（数据链路连接标识）

帧中继本地管理接口类型包括：Cisco、ASNI、Q933A

优点：1、基于分组交换的透明传输，可提供面向连接的网络服务

2、帧长可变，可以承载各种局域网的数据传输

3、数据速率可达2-45Mbps

4、用户的数据速率在一定的范围内变化，既可以适应流式业务，又可以适应突发式业务

5、只有检错和拥塞控制，没有重传和流量控制，开销很少

帧中继格式

（6）分组交换之ATM异步传输模式/信元交换

最早是B-ISDN标准的一部分

面向连接通过建立虚电路来进行数据传输，使用虚电路额虚通路VPI和虚信道VCI

信元是固定长度分组，信元长度53字节，信元头5字节用来承载信元的控制信息，数据48字节，用来承载用户要分发的信息

使用统计时分TDM

结合了线路交换技术延迟小和分组交换技术灵活的优点

6、多路复用

多路复用实质是在发送端将多路信号组合成一路信号，然后在一条专用的物理信道上实现传输，接收端再将符合信号分离出来

		特点	eg
时分复用TDM	同步时分复用	不同的时间，轮流占用信道	E1、T1
	统计时分复用	动态的分配时间，轮流占用信道	ATM
波分复用WDM		在不同的波长上传输	光纤通信
频分复用FDM		在不同的频率上传输，时间上重叠	宽带有线电视、无线广播、ADSL（非对称数字用户线路）、无线局域网

总线复用：数据和地址在同一个总线上传输的方式。可减少总线中信号线的数量，以较少的信号线传输更多的信息。分为多路复用、频分多路复用。

（二）数字传输系统

1、脉冲编码调制PCM体制

PCM的两个重要国际标准：北美的24路PCM（T1）和欧洲的30路PCM（E1）

名称	总速率	话路组成	每个话音信道的数据速率	应用国家	升级版本
T1	1.544Mbps	24条语音话路	64kb/s	美国、日本	T2=4T1=6.312Mbps，T3=7T2=44.736Mbps，T4=6T3=274.176Mbps，“T476“
E1	2.048Mbps	30条语音话路和2条控制话路	64kb/s	中国、欧洲	E2=4E1=8.448Mbps，E3=4E2=34.368Mbps，E4=4E3=139.264Mbps， ”E444“

T1：24个语音话路，每个时隙传送8bit（7bit编码+1bit信令），再加上1bit帧同步位，共193bit（24×8+1=193），每秒传送8000个帧，总数据率=8000×193b/s=1.544Mbps

E1：分为成帧、成复帧和不成帧三种方式，主要是成复帧

成复帧：E1的一个时分复用帧（长度T=125us，就是基本帧传送时间）划分为32个相等的时隙，编号为CH0-CH31，CH0用作帧同步，CH16用作传送信令，CH1-15和CH17-31用作语音话路，共30个。每个时隙传送8bit（7bit编码+1bit信令），共256bit（8×32=256），每秒传送8000个帧，总数据率=8000×256b/s=2.048Mbps

成帧：CH0传输帧同步数据，其余31个时隙传输有效数据

不成帧：32个时隙都可用于传输有效数据

2、同步光纤网SONET

美国标准 使用铯原子钟提供时间同步

最小单位（基本传输单元）：OC-1（第一级光载波）

OC-1=51.84Mb/s，OC-N=N×51.84Mb/s

常见：OC-3=155.52Mb/s

3、同步数字系列SDH

国际标准，与SONET的主要区别就是速率不同

最小单位（基本传输单元）：STM-1（第一级同步传递模块）

STM-1=155.52Mb/s=OC-3，STM-N=N×155.52Mb/s

常见：STM-4=622Mbps，STM-16=2.5Gbps，STM-64=10Gbps

4、准同步数字系列PDH

当数据传输速率较小时，使用SDH提供的PDH兼容传输方式

该方式再STM-1中封装了63个E1信道，可以同时向63个用户提供2Mb/s的接入速率，PDH兼容方式有两种接口，一种的传统的E1接口，另一种是封装了多个E1信道的CPOS接口

（三）接入技术

1、xDSL

xDSL技术利用电话线中的高频信息传输数据，高频信息损耗大，容易受噪声干扰，xDSL的速率越高，传输距离越近

常见的xDSL

	对称性	上、下行速率	极限传输距离	复用技术
ADSL（非对称数字用户线路）	不对称	上行：640kb/s-1Mb/s 下行：1-8Mb/s	3-5km	频分复用
VDSL（甚高速数字用户线路） 数据速率最高	不对称	上行：1.6-2.3Mb/s 下行：12.96-52Mb/s	0.9-1.4km	QAM和DMT
HDSL（高速数字用户线路）	对称	1.5Mb/s	2.7-3.6km	时分复用
GSHDSL（对称的高比特数字用户线路）	对称	192kb/s-2.312Mb/s	3.7-7.1km	时分复用
RADSL（速率自适应用户数字线）	不对称	上行：128kb/s-1Mb/s 下行：640kb/s-12Mb/s	可达5.5km	频分复用

常见ADSL接入方式

（1）ADSL虚拟拨号

采用PPPoE协议，拨号后直接由验证服务器进行检验，用户需输入用户名和密码，检验通过后建立起一条高速的数字用户线路并分配相应的动态ip

（2）ADSL专线拨入

用户配置好ADSL MODEM，PC设定固定的ip地址、掩码、网关后就可和局端自动建立起一条链路

2、混合光纤-同轴电缆HFC

有线电视台出来的节目信号变成光信号在光纤上传输，到用户区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆入户

• 电缆调制解调器CM

• 有线电视网络CATV

• 电缆调制解调器终端系统CMTS

3、FTTx

FTTX是新一代光纤用户接入网，范围不断扩大，从局域电信机房的局端设备到用户终端设备。局端设备为OLT（光线路终端），用户端设备为ONU（光网络单元）和ONT（光网络终端）。

FTTX分为有源光纤网络和无源光纤网络PON，有源光纤网络的成本相对高昂得多，实际上在用户接入网中应用很少。

（1）按照光纤到用户的距离来分类：

光纤到交换箱FTTCab、光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到节点FTTN

FTTH：光纤覆盖面积最广

FTTN：光纤延伸到电缆交接箱，覆盖200-300户

（2）无源光纤网络PON

无源光纤网络是指ODN（光配线网）中不含有任何电子器件和电子电源，全部由光分路器等无源器件组成。一个无源光纤网络包括一个安装于中心控制站的OLT（光线路终端）及一批配套的安装于用户场所的光网络单元ONU。

PON技术主要有以太网无源光网络EPON（100M）和千兆以太网无源网络GPON（1000M）。

（四）有线传输介质

1、同轴电缆

传送距离长，信号稳定，常用于电视、监控系统、音响设备传送音视频信号

2、双绞线

（1）对比

	样式	特点
屏蔽双绞线	内部有屏蔽用的铝箔或者是编织网，可减少辐射，保证系统在受到电磁干扰环境下依然能够保持较好的传输性能	贵，安装困难
非屏蔽双绞线	绝缘塑料外皮里面由8根不同颜色的线分成4对绞合在一起，无屏蔽外套，成对扭绞的作用是尽可能减少电磁辐射和外部电磁干扰的影响	直径小，能节省所占用的空间

（2）常考

	电缆	用途	能否进行全双工通信
100Base-T4	4对双绞线，3、4、5类非屏蔽双绞线	3对用于同时传送数据，第4对线用于冲突检测时的接收信道	不能
100Base-T2	2对双绞线，3、4、5类非屏蔽双绞线	一对用于发送数据，另一对用于接收数据	能
100Base-TX	2对双绞线，5类非屏蔽双绞线或1类屏蔽双绞线	一对用于发送数据，另一对用于接收数据	能

100是传输速率—100Mbps，Base是基带，T指双绞线，F指光纤

（3）综合布线中对五类线、超五类线、六类线测试的参数有：

信号衰减量、近端串扰、远端串扰、回波损耗（信号电流或电压损耗）、特性阻抗、接线方式

注意：近端串扰仅用于双绞线测试

（4）接法

美国电子工业协会（EIA）和美国电信行业协会（TIA）制定了两种线序标准EIA/TIA 568B标准和EIA/TIA 568A标准，568B更常用

568A线序—— 1-绿白 2-绿 3-橙白 4-蓝 5-蓝白 6-橙 7-棕白 8-棕

568B线序—— 1-橙白 2-橙 3-绿白 4-蓝 5-蓝白 6-绿 7-棕白 8-棕

1236传送，4578防干扰

3、交叉线与直通线

直通线：两端都是568A或568B的双绞线

交叉线：一段是568A，另一端是568B的双绞线

4、光纤

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，原理是光的全反射，分为单模光纤和多模光纤

	单模光纤SMF	多模光纤MMF
传播方式	光无反射地沿直线传播	光波在芯线中以多种反射路径传播
距离	长（2-10km）	短（550m和750m）
速率	高	低
光源	激光	发光二极管
直径	小	大
端接	较难	较易
造价	高（在不考虑光模块的情况下，单模光纤更便宜）	低
光纤的外护套颜色	黄	橙

光纤布线系统的测试指标：

最大衰减限值、波长窗口参数、回波损耗限值

在传输速率为1000Mbps时，多模光纤的传输距离为550m，单模光纤的传输距离为500m-几十千米

5、无线信道

（五）补充

1、RS-232-C

美国电子工业协会（EIA）提出串行通信接口标准，主要用于DTE和DCE之间通信的接口规范。

物理层，可以使用9针或25针D型连接器

RS-232-C的电气特性采用V.28标准电力，信号电平-3~-15V代表逻辑1，+3~+15V代表逻辑0，在传输距离小于15m时，最大数据速率为20kb/s

RS-232-C的功能特性采用的标准是V.24，V.24为DTE/DCE接口定义 44条连线，为DTE/ACE定义了12条连线。按照V.24的命令方法，DTE/DCE连线用1开头的三位数字命名，DTE/ACE连线用2开头的三位数字命名

2、建筑物综合布线系统

建筑群子系统	建筑之间的相互连接
管理子系统	由交连、互连和配线架和信息插座式配线架以及相关跳线组成
设备间子系统	处理设备间，集中安装了许多大型设备（服务器）
干线子系统	连接各楼层设备间
水平子系统	各楼层配线间到工作区信息插座
工作区子系统	终端设备到信息插座

信息插座距离地面30-50cm，如果信息插座到网卡之间使用非屏蔽双绞线，布线距离最大为10m

3、面向连接服务和面向无连接服务

面向连接服务：先要建立一条通信线路，类似于打电话，接了才能通话

面向无连接服务：不需要先建立一条线路，类似于广播，想不想都得听

4、广域网和局域网

广域网是指长距离跨地区的各种局域网、计算机、终端互联在一起，组成一个资源共享的通信网络

局域网是指单一机构所拥有的专用计算机网络、中等规模地理范围，实现多种设备互联、信息交换和资源共享。