计算机网络——物理层

物理层

1.基本概念

​ 物理层只负责接收信号并送至对应的位置，接受需要发送的信号并发送信号，不对数据信息进行处理，不对数据传输进行处理。（记录员与搬运员）

1.1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。

2.数据通信的基础知识

2.1数据通信系统的模型

2.2术语

• 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。
• “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。汽车的速度仪表盘
• “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。 高低电平
• 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。
• 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。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)。直流信号，直流分量，高低电平，信号传输不能直接用基带信号进行传输，因为对应的频率太低，影响传输效率，因此需要调制来增加信号频率，从而加快信号传输效率，需要调制未带通信号（物理层）。
• 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。通过调制后的带通信号会存在信号损失。

2.3基带信号调制方法

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 振幅越大说明信号越强，为高电平。（一个载波信号，高电平为载波频率的信号，低电平归零）公式：

• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。频率越大，信号变化越急促说明信号越强，为高电平。存在两个载波信号（高频率、低频率），高电平的频率高，低电平的频率低

• 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 高电平起始点与终结点的初始相位变化。

2.4提高数据在信道上的传输速率

• 使用更好的传输媒体。例如，光缆就是很好的传输媒体，只产生极少的差错。

• 使用先进的调制技术可以使信号传输的距离增大，同时也可以同样大的噪声干扰下，减少出现差错的概率。

2.4信道复用技术

• 频分复用

  • 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。
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

• 时分复用

  • 时分复用则是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。

  • 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）。

  • TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。

  • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

• 统计时分复用

  将时分复用帧的间隔降低，减少通道达到较高的利用率，每一个时分复用帧对应着当前时间间隔内的信号占用情况，使用用户越多，该时分复用帧的序号越多，每个序号占用的都是当前频段宽度，只是各个序号对应的信号频率不同，利用率也就随着该时间段内使用序号越多而变大。由于TDM的时间间隔都是一致的，因此采用统计时分复用来动态控制TDM的时间间隔进而减少改频段宽度在每一个TDM帧的利用率达到较高的数值，又能满足对应数据的传输。

  变化前：

变化后：

• 波分复用

  和频分复用相似，但是频分复用是通过改变信号频率来区分各个用户的数据传输，而波分复用这是通过改变光的波长，通过光调节器来控制输出数据光源的波长，来区分各个用户的数据传输的差异性。

• 码分复用（将高电平的标识不再是1，而是其他表达形式，一个位置的高低电平表达形式和其他位置的高低电平的表现形式不一样，从而确保信息正确运输）

  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(chip)。

  • 码片序列
    • 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 8 bit 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)

3.数值传输系统

3.1脉码调制PCM机制

• 最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

• 北美24路PCM(简称T1)、30路PCM(简称E1，我国采用的PCM体制标准)

• E1的速率为2.048Mb/s,T1的速率是1.544Mb/s

• 当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

3.2旧数字传输系统的缺陷：

• 速率标准不统一，存在T1和E1两种速率
• 不是同步传输，为了节约成本，数字网采用准同步方式

3.3同步光纤网（SONET，Synchronous Optical Network）

• 同步光纤网的各级时钟来自一个主时钟，第一级同步传送信号STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率为51.84Mb/s，光信号则被称为第一级光载波OC-1(Optical Carrier)
• 同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)，SDH的基本速率为155.52Mb/s,称为第一级**同步属地模块（STM-1,Synchronous Transfer Module）**相当于SONET体系中的OC-3速率。
• SDH和SONET的区别
  • 传输速率不同，SDH的基本速率比SONET速率要快，在同步光纤网中，所有的低速信号都要映射到STS-1，N个STS-1经同步复用称为STS-N信号，复用过程就是通过直接交织复用N个STS-1信号，不加入额外的开销，因此STS-N的传输速率就是N51.84Mb/s;同步数字序列又有些不同，他的所有低速信号同样需要映射到STM-1,但是N个STM-1的N个净负荷（称为AU组）通过字节同步复用**并加上通道开销（POH）**而成为高速信号STM-N,加入STM-N的开销敲好等于STM-1的开销的N倍，因此STM-1的信号传输速率为N155.52Mb/s
  • 帧结构不同
  • 复用结构不同
  • 净负荷映射不同
  • 开销字节不同

3.4宽带接入技术

3.4.1ADSL技术（非对称数字用户线ADSL技术）

​ 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0-4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原本没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

​ DSL就是数字用户线（Digital Subscriber Line）A代表非对称（Asynchronous）’

​ ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而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。例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 ~ 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。

3.4.2ASDL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称的。
• 上行指从用户到 ISP，用户传输或上传数据到网络，而下行指从 ISP 到用户，用户从网络接受或下载数据。
• ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
• 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

3.4.3DMT技术

​ 采用频分复用技术，把40kHz以上的高频信号一直到1.1MHz的高频频谱划分成许多个子信道，其中25个之通道属于上行信道，而249个子通道属于下行信道。从而实现在以堆用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

​ 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。当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。

3.4.4ADSL的好处

• 可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线。

• ADSL 调制解调器已经可以做得很轻巧。需要注意的是，ADSL 调制解调器有两个插口。较大的一个是 RJ-45 插口，用来和 PC 相连。较小的是 RJ-11 插口，用来和电话分离器相连。

• 电话分离器则更小巧，用户只需要用三个带有RJ-11 插头的连线就可以连接好，使用起来非常方便。
  

3.5光纤同轴混合网（HFC,Hybrid Fiber Coax）

• 信息

  • HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
  • HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
  • 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造

• 主要特点

  • HFC网的主干线路采用光纤

    • 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。
    • 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。
    • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。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。

  • HFC 网采用结点体系结构

• HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能

• 每个家庭要安装一个用户接口盒

• 电缆调制解调器（cable modem）

  ​ 为了HFC网而使用的调制解调器，电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 3~10 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.2~2 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。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。

• HFC网的最大优点

  • 具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
  • 要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。
  • 在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。

3.6FTTx技术

​ FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。

• 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
• 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
• 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

4.拓展

4.1规程与协议的区别

​ 规程，即规则与程序，通常指某一事项〈工作〉的操作要求及步骤。是由某一部门或单位单方制订，执行方〈操作者〉遵守执行。

​ 协议即合同。即双方或多方，通过协商确定的有关各方的权利与义务，也就是有权要求对方做什么，自已应做什么，未做到须承担的责任。

4.2分组交换和电路交换

​ 分组交换——不断地交互信息，通过协议区分各个信息的传输

​ 电路交换——专用通道，同一时间只能有一个数据进行传输

4.3网络协议

​ 语法——解释控制信息每个部分的意义，它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。

​ 语义——物理层不负责，用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。

​ 时序（同步）——时序是对事件发生顺序的详细说明。

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图片来源：计算机网络 教学PPT

参考资料：计算机网络简明教程 谢希仁编著 电子工业出版社

参考网站：https://zhuanlan.zhihu.com/p/52248268