计算机网络原理第二章--物理层
物理层
物理层的基本概念
概念
- 物理层考虑的是怎么样才能在连接欸各种计算机的传输媒体上传输数字比特流，而不是只具体的传输媒体。
- 物理层的作用是要尽可能的屏蔽掉传输媒体和通讯手段的差异，是物理层上的数据链路层感觉不到这些差异，是数据链路层秩序考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网路具体的传输媒体和通信手段是什么。
- 用于物理层的协议称为物理层规程（procedure）即物理层协议。
主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性
机械特性
- 接口所用的接线器的形状、尺寸引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化规定
电气特性
- 指明在接口电缆的和条线上出现的电压范围
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事件的出现顺序
数据传输方式
并行传输
- 数据在计算机内部采用的传输方式
串行传输
- 数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式（出于经济上的考虑），即出逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式上的改变
物理层的协议种类
- 物理连接方式有很多，因此物理层协议种类有很多（点对点连接、多点连接、广播链接）
- 传输媒体的中类也很多（架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆、以及各种波段的无线电信号等）
数据通信的基础知识
数据通信系统的模型
一个通信系统可划分为三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（传输网络）、目的系统（或接收端、接收方）
源系统
源点
- 源点设备产生要传输的数据（如计算机产生输出的数字比特流），又称为源站，信源
发送器
- 源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算器使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用虎仔计算机外面看不见调制解调器
目的系统
接收器
- 接受传送系统传送或来的信号，并转换为能够被设备处理的信息。典型的接受器是解调器，吧传输线路上的模拟信号解调，提取并还原出发送端产生和的数字比特流
终点
- 输出（显示）从接收器传送来的数字比特流。又称为目的站、信宿
在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线也可以是复杂的网络系统
常用术语
通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等都是消息。
数据是运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。可用计算机或吉他机器（或人）处理或产生
信号是数据的电气或电磁的表现
模拟信号，或连续信号
- 代表信息的参数的去做hi是连续的。上图（图2-1）中用户家的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号
数字信号，或离散信号
代表信息的取值是离散的。（图2-1）用户家的计算机到调制解调器啊hi见，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域（或时域）的波形表示数字信号时，代表不停离散值的基本波形就成为！码元！
- 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，分别代表0和1
- 注！！：一个码元携带的信息量时不固定的由调制方式和编码方式决定
有关信道的几个基本概念
通常我们使用 “信道” 这一名词，信道和电路不同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路一般包含一条发送信道和一条接收信道
从通信双方信息交互的方式来看，主要有以下三种基本方式
单向信道（单工通信）
- 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。主要有无线电广播或有线电广播或电视广播
双向交替通信（半双工通信）
- 通信的双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（接收）。一方发送一方接收或一段时间再反过来。
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
单向通信只需要一条通信线路，双向交替通信和双向同时通信都需要两条信道，同时通信信息传输效率最高
调制
来自信源的信号通常成为基带信号（基本频带信号）。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。基带信号一般好汉多种低频成分升值直流成分，而许多信道不能传输这种低频分量或者直流分量，则必须对基带信号进行调制
分类
基带调制
- 对基带信号泼醒进行变换，使其与信道特性相适应。变换后的信号还是基带信号。
- 这种调制是把数字信号转换为另一种数字信号，因此调制方式又称为（编码）
带通调制
- 需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到更高的频段，并转换为模拟信号，就能更好的在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号成为带通信号（即尽在一段频率范围内能通过信道）。
常用编码方式
不归零制
- 正电频代表1，负电频代表0
归零制
- 正脉冲代表1，负脉冲代表0
曼切斯特编码
- 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，也可以反过来定义
差分曼切斯特编码
- 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，位开始边界没有跳变代表1
基本的带通调制方法
调幅（AM）
- 即载波的振幅随基带数字信号而变化。如，0或以分别对应无载波或有载波输出。
调频（FM）
- 即载波的频率随基带数字信号而变化。如，0或1分别对应f1或f2。
调相（PM）
- 即载波的初始相位随几代数字信号而变化。如，0或1分别对应于相位0或180度。
正交幅调制（QAM）
- 为了达到跟高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。如，正交辐调制QAM
信道的极限容量
原因
数字通信的优点：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。
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，在接收端的波形失真就越严重。
限制码元在信道上的传输速率的因素
信道能够通过的频率范围
- 具体的信道范围所能通过的频率是有限的，喜好中的许多高频分量往往不能通过信道。像图2-4是一种典型的矩形脉冲信号，包含了吩咐的高频分量。
- 如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么接收端收到的波形前沿和厚颜就不那么“陡峭了”，每一个码元所占的时间界限也就不那么清晰，这种现象叫做----码间串扰。严重的码间串扰使本来分辨的很清楚的一串码元·变得模糊不好分辨。
- 1924年奈奎斯特推导出著名的----奈氏准则，给出了在假定理想条件下为了避免码间串扰，马原的传输速率的上限值（可在通信原理相关书籍中查阅到）。
- 我们需要知道的就是：在任何信道中，马原的传输速率时有的上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，时接收端对码元的判别（即识别）成为为不可能。
- 如果信号的频带越宽，也就是能通过的信号高频分量越多，那么就可以使用更高的码元传输速率而不出现码间串扰。
信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。产生时随机的，瞬时值有时会很大而影响接收端对马原的判断，但影响是相对的。如果信号越强，你们噪声的影响就相对较小。
噪声比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。记为：S/N，度量单位：分贝（dB）
香农公式：信道的极限信息传输速率C
W为信道的带宽（单位：HZ）；S为信道内传输信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率
可知信道的带宽或信道中的信噪比越大，贷款的极限传输频率就越高
意义
- 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，即一定存在某种办法来实现无差错的传输。
- 因此对于频带宽度已经确定的信道，如果噪音比也不能在提高了
用编码的方法让每一个码元携带更多比特位的信息量
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，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分为两大类（引导型传输媒体和非引导性传输媒体）
引导型传输媒体
电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播
双绞线
- 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后周规则的方法绞合起来。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，通信距离一般从几到十几公里
- 距离太长就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或加中继器以便对失真的信号进行整形（对于数字传输）
- 导线越粗，通信距离越远，但价格也越高。在数字传输是，若传输速率为几个兆比特，则可以传输几公里，又与双绞线的价格便宜而且性能也不错，顾使用较为广泛
- 为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，可以在双绞线外面加一层金属丝编制陈哥屏蔽层，-------这就是屏蔽双绞线
同轴电缆
由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层（也可以是单股的）、保护塑料外层组成。又与外导体屏蔽层‘具有良好的抗干扰性，广泛被用于传输速率较高的数据
局域网发展初期广泛使用同轴电缆作为传输媒体。随着局域网技术的进步，后来都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网中的居民小区中
带宽取决于电缆的质量，高质量同轴电缆已接近1GHz。
光缆
- 据统计，计算机的运行速度大约每十年提高十倍。通信领域中提高的更快，到现在的100 Gbit/s（使用光纤通信技术）
- 光纤通信就是使用广岛纤维传递光脉冲来进行通信，又光脉冲相当1，没有脉冲信号相当于0
- 可见过的频率非常高，约为10^8MHz的量级，也从光线的带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
- 光导纤维是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲的作用下产生光脉冲。在接收端利用广电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲是可以还原出光脉冲。
- 通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要有纤芯和包层构成双层通信圆柱体。很细只有8~100微米（1微米=1*10^-6 m）。
- 只要入射角足够大就会出现全反射，过程重复，光信号传播。基本上没有损耗
- 若直径缩小为只有一个光的波长，那么光纤就像一个波导一样，光纤一直向前传播不会禅城多次反射----单模光纤。成本较高但衰耗较小，适合远距离高速传播。而且光纤容量很大- 特点- 容量大- 传输损耗小，中级距离长，队员传输特别经济。- 抗雷电和电磁干扰性好。在有大电流脉冲干扰环境下特别重要- 没有串音干扰，保密性好，不容易为窃听或截取数据。- 体积小重量轻。在现有电缆管道已经拥堵不堪的条件下特别有利。- 架空明线（铜线或铁线）- 电线杆上架设互相绝缘的明线。- 安装简单，通信质量差，易受气候影响，许多光加已经禁止铺设，但我国的一些农村和边远地区仍在使用
非引导型传输媒体
而非引导型传输就是指自由空间，此中电磁波的传输常称为无线传输
最近十几年无线电通信技术发展特别快，因为无线电进行信息的传输，实在运动中进行通信的唯一手段
无线传输可使用的频段很广。现在已经利用了好几个频段进行通信。紫外线和更高的波段目前还不能用于通信
频段区别
短波传输（无线电波）
是指博城100m10m(或频率为330MHz)的电波
实用短波是 3~30MHz
短波（频率为2MHz以下）
可沿地球表面以地波形式传播（数百千米）
主要以天波形式靠大气层中的电离层反射传播（大数千~上万千米）
传输介质
电离层的构成
- 离地面高度60~450KM，受抬眼紫外线和X射线作用而存在的由离子、自由电子、中性分子、原子组成的一个区域
- 电离层由环绕地球的四个不同高度的四个导电层组成：D、E、F1、F2
- 对短波传输起重要作用的是F层
缺点
- 可靠性低，通信质量差
优点
- 通信距离远、所需发射功率低，具有抗性较强的中继系统和较高的机动性，因而在军事中由重要的实用价值
地面微波
旨在对流层的视距范围内，以波长为1m1mm（频率为300MHz~300GHz）的电磁波进行信息传输
多路复用、射频工作、中继接力是地面微波传输的三个最基本的工作特点
远距离通信采用中继方式，因为受地形和天线高度的设置，两通信站之间的雨里一般在40~60KM
优点
- 频带宽、容量大
- 受外界干扰小，可靠性。稳定性好
- 容易制成高增益、方向性强的天线，通信效果较好
- 点对点通信，具有较大的灵活性
缺点
- 中继站选点较复杂，对施工维护带来不便
- 易受自然环境的影响
- 属于暴露式通信，容易被截获监听，通信保密性较差
光波传输
红外线都属于光波范畴。光波的波长在3102~30*104微米，频率在31012~5*1016Hz
光波通信由三种分类
- 按照光源特性不同，分为激光通信和非激光通信
- 按照传输媒体的不同，分为大气激光通信和光纤通信
- 按照传输波段不同，光波通信分为可见光通信、红外线（光）通信、紫外线（光）通信
大气激光通信
- 可传输语音，数据，图像等
- 具有抗干扰性、设备轻便、保密性强、机动性强
- 但使用时收发天线相互校准时较为繁琐，通信距离受限于诗句范围
- 易受天气影响，尤其在恶劣天气下会造成通信中断
红外线通信
- 广泛使用的家电遥控器、手机、笔记本、等短距离通信领域
- 使用不受无线电干扰且不受光加无线电管理局的制约，具有方向性、便宜、制造方便等优点
- 对非透明物质的通过性较差，导致传输距离受限
可见光通信
- 方向性好，可用来高精度室内定位，保密性强
- 速度高、传输苏里大Gbps级
- 抗干扰，抗复杂电磁干扰
- 的功能合一，具有照明、传感、显示等一体化
卫星通信
指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间的通信
由时宇宙无线电通信的形式之一，宇宙通信是指以宇宙飞行体作为对象的无线电通信
- 宇宙站与地球站之间的通信
- 宇宙站之间的通信
- 通过宇宙站转发/反射地球站之间的通信
卫星微波
卫星通信采用的微波波段
同步卫星通信和移动卫星通信
特点
- 传播时延长，从地球站经卫星站到另一个地球站的点播传输时间需要240~280ms（可取270ms）
- 传播损耗大，受大气影响大，覆盖式的传播信道
缺点
- 传播时延大（200~800ms）
- 高纬度地区难以实现卫星通信
- 为避免个卫星系统之间的干扰，同步轨道的星位是由一点限度的，不能无限制的增加卫星数量
- 太空中的日食和日凌现象会中断和影响卫星通信
信道复用技术
什么是复用技术
- 目的：允许用户使用一个共享信道进行通信，避免相互干扰，降低成本，提高利用率
频分复用、时分复用、统计时分复用
频分复用（FDM）
- 是一种将多路基带信号调制到不同载波上，再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术
- 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中一直占用这个频带
- 在进行通信时，复用器和分用器总是成对的使用。再复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器和复用器的作用正好相反，吧高度信道传送过来的数据进行分用，分别交付到相应的用户。
- 所用用户在相同时间占用不同的带宽资源（“带宽”是指频率带宽而不是发送速率）
时分复用（TDM）
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
每一个用户占用的时隙是周期性的出现的
时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度
不足
- 传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
- 传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
统计时分复用（STDM）
- 是指动态的按需分配共用信道的时隙，秩序将传送数据的终端接入共用信道，议题该信道利用率的多路复用技术。
- 是指动态的按需分配共用信道的时隙，秩序将传送数据的终端接入共用信道，议题该信道利用率的多路复用技术。
波分复用
- 利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长的的激光技术
码分复用
码分多址（CDMA）是指利用码序列相关性实现的多址通信、基本思想是考不停的地址嘛来区分的地址
个用户使用经过特殊挑选的的不同码型，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，器频谱类似于白噪音，不易被敌人发现
码片序列
一个比特时间划分为m个短的间隔，成为码片（chip）
每一个战被指派一个唯一的m bit 码片序列
- 如发比特1，则发自己的m bit 码片序列
- 发比特0，发送该码片序列的二进反码
正交关系
- 每个站分配的码片序列不仅必须各部相同，而且还必须正交
- 令向量S表示站S的码片向量，另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，就是他们的规格化内积等于0
- 实现扩频- 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，一次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。- 属于扩频通信的一种- 两大类- 一种是直接序列扩频DSSS，如上面讲的码片序列就是这一类- 一种是跳频扩频FHSS- 原理
-
数字传输系统
宽带接入技术
宽带接入技术包括：DSL、HDSL、SDSL、ADSL、VDSL、RADSL、HFC、TTx
从传输介质划分包括：SDL技术、HFC技术、光接入技术等
宽带接入网的构成
- 宽带接入网是指能同时承载数据、语音媒体等宽带业务需求的接入网络
- 接入网特别是接口界面的物理层技术是其主要特征
- 数据传输速率是从 Mbps 到 Gbps 级别
数字用户线路（DSL）
及数字用户线路
技术包括：HDSL、SDSL、ADSL、VDSL、RADSL
概述
80年代初，美股哦贝尔通信研究所踢输了 DSL 技术
后来又产生了高比特数字用户线 HDSL 技术
- 最大传输距离3.7KM
- SDSL 是只使用一对双绞线的HDSL
1990年代初、出现ADSL
95年后，ADSL广泛应用于因特网服务
ADSL基础上进一步提出 VDDL 技术，下行率达到至高52 Mb/s
速率自适应ADSL，即RADSL
- 上下行速率互换调整
非对称数字用户天线（ADSL）
占用一对双绞线
使用数字西技术对现有的模拟电话用户进行改造，使其能够承载宽带数字业务
最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户先（铜线），而不需要重新布线。
频谱占用
0~4KHz 电话业务
20~200KHz 上行
250KHz~1.1MHz 下行
ADSL2+扩展到2.208MHz
- 相对于一代，通过日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，可以在运营中通过不中断通信和不产生无码的情况下，根据线路的实时情况，自适应的调节数据率；改善里娜鲁质量测评和故障定位功能，对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义
- 虽然很受居民欢迎，但是并不是适用于企业。但是存在又几中变形，比如一种是用一对线获知两对线的DSl叫做HDSL，用来取代 T1线路的高速数字用户线，速度高（768K~1.5M bit/s），距离远（2.7~3.6KM）
光纤同轴混合网 （HFC）
实在米钱覆盖面很广的有线电视基础上开发的一种居民宽带接入网，可以传送数字电视、电话、数据和其他宽带交互性业务
信号频带分配
电视信号的带宽在54~550（包括FM）
计算机网络使用频带
上行：5~42Kz
- 上行信道使用正交调相方式
下行：550~75Hz
下行频带分为不同的信道
- 每个信道站6~8M
- 调制方法为 QAM-64、或QAM-256Mbps
- 对6M的信道、传输速率可以达到27Mbps
光接入
- 光纤接入分为有源（P2P Ethernet）和无源（PON）
- 无源光网络是未来光纤接入技术的主流模式
FTTx技术
表示 FIber To The……
光纤到户 FTTH
- 光纤一直铺设到用户家庭，啃食居民接入网最后的解决办法
光纤到大楼 FTTB
- 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用户
光纤到路边 FTTC
- 光纤铺设到路边，从路边到各用户可使用星型结构双绞线作为传输媒体
本章重要概念
物理层的主要任务是确定于传输媒体的接口有关的一些特性，包括 ：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括（源点、发送器）、目的系统包括:接收器、目的站
通信的目的是传送消息。如话音、文字、图像、视频等。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现
根据信号中代表小心的参数的取值方式不同，信号课分为：模拟信号（或连续信号）、数字信号（或离散信号）。代表数字信号不同的离散数值的基本波形成为码元
根据双方信息交互的方式，通信可划分为：单向通信（单工通信）、双方交替通信（半双工通信）、双方同时通信（全双工通信）
来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅，调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制
要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术，但数据的传输速率不可能被任意的提高
传输媒体可分为两大类：引导型传输媒体（双绞线、同轴电缆、光纤）、非引导型传输媒体（无线、红外、大气激光）
常用的新年到复用技术：频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用、波分复用（光的频分复用）
最初在数字传输系统中使用的传输标准是：脉冲编码调制PCM。现在数字高速传输系统使用同步光纤 SONET（美标），或同步数字系列 SDH （国际标准）
用户带互联网的宽带接入方法有非对称数字用户线 ADSL （用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造）、光纤同轴混合网 HFC （在有线电视网的基础上开发的）和 FTTx （光纤到一切）
为了有效的利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛的使用无源光网络PON。无源光网络无需配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网路是以太网无源光网络 EPON 和吉比特无源光网络GPON
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