计算机网络——物理层

一、什么是物理层（物理层的主要任务）

1.实现比特（0或1）的传输

在物理层上所传数据的单位是比特。发送方发送1时，接收方应当收到1而不是0。因此物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别发送方所发送的比特。

2.确定与传输媒体的接口的一些特性

即确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接
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：指明在接口电线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电平的电压的意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序。

3.传递信息所利用的一些物理媒体并不在物理层协议之内

传递信息所利用的一些物理媒体，例如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面。

4.传输方式的转换

数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信电路（传输媒体）上的传输方式一般是串行传输（这是出于经济的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。

二、数据通信的基础知识（在学习物理层之前首先补充一些有关数据通信的知识）

1.常用术语

消息：例如话音、文字、图像、视频…
数据：运送消息的实体、有意义的符号序列…
信号：数据的电气或电磁的表现
模拟信号：代表消息的参数取值是连续的
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
使用二进制编码时，只有两种不同的码元：0和1

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消息的媒体

单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信，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，但双方不能同时发送（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（基本频带信号）：来自信源的信号；包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。
调制：
基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。把这种过程称为编码。

常用的编码方式：
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

对于编码方式的总结：
1.曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高（信号频率）
2.不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这种叫没有自同步能力）；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：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**。经过载波调制后的信号为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

基本的带通调制方法：
为什么要调制呢？
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，所以必须对基带信号进行调制
1.调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化
2.调频：载波的频率随基带数字信号而变化
3.调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化

3.信道的极限容量

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

那么限制码元在信道上的传输速率的因素是什么？

（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就失去了码元之间的清晰界限
**奈氏准则：**码元传输的最高速率=2W（码元/秒） W：带宽（Hz）
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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（即识别）成为不可能。

奈氏准则激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，是每一个码元携带更多比特的信息量
提高信息的传输速率的方法：
用编码的方式让每一个码元携带更多比特的信息量
例如一个码元有3bit

（2）信噪比

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，记为S/N，并用分贝作为度量单位。

香农公式：信道的极限信息传输速率C

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方法来实现无差错的传输。

香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码方式都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

三、物理层下面的传输媒体

1.导引型传输媒体

（1）双绞线

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起来就构成了双绞线。
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。所以有两大类的双绞线：
无屏蔽双绞线UTP
屏蔽双绞线STP

无论是那种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大
双绞线的最高速率还与数字信号的编码方式有很大的关系

（2）同轴电缆

同轴电缆是由内导体铜质芯线（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：具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中，在局域网领域的应用基本被双绞线作为传输媒体所取代。

（3）光缆

在介绍光缆之前先了解什么是光纤
光纤通常是由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。
光纤是光纤通信的传输媒体。其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。

ps：
1.光脉冲就是光源按着一定时间间隔时断时续的发光，影响因素是中间的介质
2.电脉冲是电子产生的一个脉冲，脉冲就是在很短时间内变一次电压的过程

发送端：要有光源（可以采用发光二极管或半导体激光器），在电脉冲的作用下能产生出光脉冲
接收端：要有光检测器（可以是光电二极管），在检测到光脉冲时还原出电脉冲

光波在纤芯中的传播：
光线在纤芯中传输的方式就是不断地全反射

那什么是全反射呢？
1.当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时（即方向是纤芯到包层），其折射角将大于入射角。
2.当入射角足够大，就会出现全反射，即光线在碰到包层时就会折射回纤芯。（因为折射角大于入射角！）

光纤的优点
1.通信容量非常大
2.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
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

现在已经非常广泛地应用于计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中

由于光纤非常细，连包层一起的直径都不到0.2mm，因此必须将光纤做成很结实的光缆

1.一根光缆少则只有一根光纤，多则包括数十至数百根光纤
2.加强芯和填充物（大大提高其机械强度）
3.必要时可放入远供电源线
4.最后加上包带层和外护套
这样子可以使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求

2.非导引型传输媒体

无线电微波通信

四、信道复用技术

1.为什么要使用信道复用技术？

因为在一般情况下，通信信道带宽远远大于用户所需的带宽，使用信道复用技术可以提高信道利用率，共享信道资源，降低网络成本。

2.什么是复用？

复用是允许用户使用一个共享信道进行通信。（就好比一条高速公路只开了一条通道，无论一辆车开得再快，高速路可通过的车流量还是有限的。但假如把高速路开成四车道或者八车道，那高速路可通过的车流量就可以高出很多了，复用技术就类似如此。）

3.最基本的复用技术

目的：（在第一点）
这里的复用是指“多个共同使用”

频分复用FDM

特点：
1.最简单的复用技术
2.将整个宽带分为多份，用户在分到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
3.所有用户在同样的时间占用不同的宽带（即频带）资源
注意：在这里的“带宽”是指频率带宽而不是数据的发送速率

时分复用TDM

特点：
1.将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）
2.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
3.每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的
4.TDM信号也称登时信号
5.所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

统计时分复用STDM

由于时分复用会导致信道利用率不高，因为当用户暂时无法按数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。
所以有了改进的时分复用STDM。

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙，因此可以提高线路的利用率

波分复用WDM

光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。（也就是把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送）

码分复用CDM

特点：
1.每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
2.由于个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此个用户之间不会造成干扰。

各种复用技术的区别

频分复用：不同用户，相同时间，不同频率，适用于电磁信号传输。
时分复用：不同用户，不同时间，相同频率，适用于电磁信号传输，时分复用相比频分复用则更有利于数字信号的传输。
波分复用：不同用户，相同时间，不同波长，适用于光波传输。
码分复用：不同用户，相同时间，相同频率，适用于移动通信中，特别是在无线局域网中。

4.多址技术

目的：用来区分不同用户的一种技术。
为了让用户的地址之间互不干扰，地址之间必须满足相互正交；

频分多址FDMA

可以让N个用户各使用一个频带或让更多的用户轮流使用这N个频带

因为各个用户使用着不同频率的信道，所以相互没有干扰。

FDMA 频分多址就好比把聚会大厅分成一个个小房间，房间里面的双方可以很清楚的听到对方讲话，但是这种方式的缺点也很明显，就是能够容纳的客人太少了，只有20个房间就把大厅占满了，其他人都没法进场了啊；

时分多址TDMA

可以让N个用户使用一个时隙或让更多用户轮流使用这N个时隙

分为8个时隙给8个用户用，由于占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。显然，在相同信道数的情况下，采用时分多址要比频分多址能容纳更多的用户。

TDMA时分多址就是在频分多址的基础上，规定每个房间的人只能连续讲10分钟的话，超过10分钟就要让给下一对儿，等下次轮到你了，你再占用这个房间讲话。通过这种方式，可以有更多的人参加到酒会里来，只要间隔时间（例子中的10分钟）在你可以忍受的范围内，那么就不会有什么问题；

码分多址CDMA（重要）

当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，称为码分多址

CDMA即码分多址是指，大家都在大厅里，没有小房间了，大厅里可以容纳很多很多人，但是，你和张三说中国话，alice和bob说英文，cici和coco说意大利语，虽然大家都叽叽喳喳的说着话，但是你还是可以很清楚的听明白张三说的什么，因为你只能听懂中国话，听不懂英文和意大利语，就把其他语言当成噪音直接过滤掉了。

工作原理：
将每一个比特时间划分为m个短的间隙，称为码片
为每个站指派一个唯一的m bit码片序列
一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列；如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码
为了方便，我们按惯例将码片序列中的0写为-1，1写为+1
例如：指派给S站的8bit码片序列是00011011（-1，-1，-1，1，1，-1，1，1），当S发送比特1时则发送00011011，而发送比特0则发送11100100

CDMA的重要特点
每个站分配的码片序列：各不相同且必须互相正交（内积为0，自己与自己的内积为1，自己与反码的内积为-1）

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的公式，再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系)，那么求内积得到的结果是:所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0)，而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1，当S站发送比特0时，内积的结果是-1。而当S站没有发送数据时，内积结果为0

码分多址的例题

共有四个站进行码分多址CDMA通信。四个站的码片序列为：
A（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1） B(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) C(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) D(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)
现收到的码片序列：（-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1）。问哪个站发送了数据？发送数据的站发送了0还是1？

解：
根据以下公式进行计算

SA*T=（1-1+3+1-1+3+1+1）/8=1 所以A发送了1
以此类推，得出B发送了0，C没有发送数据，A和D发送了1.

5.复用与多址的区别

先来说说，复用与多址的区别
多址技术是要根据不同的“址”来区分用户；复用是要给用户一个很好的利用资源的方式
复用针对于资源，多址针对于用户。

将10MHz的频道资源划分为5个2MHz作为子信道，这种做法叫做复用
不同的用户使用这些子信道，每个子信道变成了用户的“址”，这叫多址

逻辑关系：
多址肯定要复用，不同用户必须占用不同的资源才能区分开来。
复用不一定多址：单个用户可以同时占用多个资源进行接收。

TDMA中，不同的用户，只有复用了不同的时域资源，才能通过不同的“时隙”来区分不同的用户，而这里的“时隙”也就是用户的“址”。

以频分复用和频分多址来说明其不同点：
频分复用中，发送者T要将数据ABC发送到接收者R中，它选择了三个不同的频率同时将ABC发出，发送者是明确的知道接收者是谁，此时用户是已知的。
频分多址中，发送者有ABC三个人，他们要将数据发送给接收者R，而接收者为了区分数据是谁发送的，将三个频段分别分配给用户ABC，用户ABC可以在各自的频率上发送数据。此时用户是未知的。