計算機網絡原理總結（英文版 第五版）
二、實體層
1.其他層建立的基礎
電線、光纖、無線的性能限制了網絡能做什麼
2.關鍵問題是隻使用（模拟）信号發送（數字）位。
這叫做調制信号。
2.1 資料通信的理論基礎
2.1.3 信道的最大資料速率
尼奎斯特（Henry Nyquist）意識到，即使是完美的信道也具有有限的傳輸容量。他導出了一個有限帶寬無噪聲信道的最大資料速率表達式。
尼奎斯特（Nyquist）定理将資料速率與帶寬（B）和信号離散等級的數目（V）聯系起來：
Max. data rate = 2B log2V bits/sec
例如，無噪聲的3-kHz信道不能以超過6kbps的速率傳輸二進制（隻有2級的）信号。
現在為止，我們隻考慮了無噪聲信道。如果存在随機噪聲，情況會急劇的惡化。并且，由于系統中分子的運動，随機（熱）噪聲總是存在。熱噪聲的數量可以用信号功率與噪聲功率的比值來測量，這樣的比值稱為信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio），如果我們将信号功率記作S，噪聲功率記作N，則信噪比為S/N。
該比率表示成對數形式是為10log10S/N。對數的取值機關稱為分貝（DB）。
例：10的信噪比10分貝，100的信噪比為20分貝。
香農（Shannon）定理将資料速率與帶寬（B）和信号強度（S）相關，相對于噪聲（N），其最大資料速率或容量是：
Max. data rate = B log2(1 + S/N) bits/sec
這結論告訴了我們實際信道能獲得的最大容量。例如，在普通電話線上提供通路Internet的ADSL網使用了大約1MHz的帶寬。線路上信噪比的程度取決于住宅和電話交換局之間的距離，對于1~2千米的短距離來說40dB的信噪比算是非常好的情況了。
無論采用多少個信号等級，也不管采樣頻率有多快,信道可以不超過13Mbps的資料率。（甚至實際上隻有12Mbps）
尼奎斯特公式用于無噪環境，香農公式用于有噪環境。
2.2 引導性傳輸媒體
每一種傳輸媒體都有獨特的性質，展現在帶寬、延遲、成本以及安裝和維護難易程度上的不同，是以分别有自己适用的場合。大緻上可以将媒體分為引導性媒體（也稱有線媒體，比如銅線和光纖）和非引導性媒體（也稱為無限媒體，比如地面無線電、衛星和雷射）兩大類。
媒體具有不同的性質，是以性能也不同
現實檢驗
存儲媒體 »
電線：
雙絞線 »
同軸電纜 »
電力線 »
光纖電纜
2.2.1 磁媒體
錄音帶/磁盤/ DVD在高帶寬鍊路上發送資料
比如說有一個1000個 800 GB錄音帶的盒子，是以盒子的總容量為800TB，或者6400Tb。通過快遞公司，在24小時之内将這一盒錄音帶快遞到美國任何一個地方。這樣一次傳輸的有效帶寬是6400Tb/86400秒，資料速率為70Gbps。如果隻需一個小時，則有效帶寬将超過1700Gbps。到目前為止，還沒有一個計算機網絡能接近這樣的傳輸能力。
盡管錄音帶具有優良的帶寬特性，但其延遲特性卻很差。
2.2.2 雙絞線
非常普遍；用于區域網路，電話線路
之是以将兩根銅線纏繞在一起，是因兩根平行的線會構成一個很好的天線。當兩根線絞在一起後，不同電線産生的幹擾波會互相抵消，進而能顯著降低電線的輻射信号（幹擾）。
有四對雙絞線的5類UTP
雙絞線可用于傳輸模拟信号或數字信号。帶寬取決于導線的厚度（直徑）和傳輸距離。但在許多情況下，雙絞線傳輸幾千米的距離可以達到幾Mbps的帶寬。
不同的區域網路标準或許使用不同的雙絞線。例如：100Mbps以太網使用兩對，每個方向一對。為了達到高速，1-Gbps以太網同時使用所有四個對。
連結術語：
全雙工鍊路（full-deplex）：可以雙向同時使用的鍊路。
半雙工鍊路（half-deplex）：可以雙向使用，但一次隻能使用一個方向的鍊路。
單工鍊路（simplex）：隻允許一個方向上傳輸的鍊路。
非屏蔽雙絞線（UTF，Unshielded Twisted Pair）：僅由導線和絕緣層簡單的構成。
2.2.3 同軸電纜
過去，同軸電纜被廣泛地應用于長途電話系統，但現在大部分長途幹線已經被光纖所取代。即使如此，同軸電纜仍是有線電視和計算機城域網的常用傳輸媒體。
同軸電纜比非屏蔽雙絞線有更好的屏蔽特性和更大的帶寬，是以他能以很高的速率傳輸相當長的距離。
銅芯 絕緣材料 編制外層導體 保護塑膠外套
同軸電纜的結構和屏蔽性使得它及有很高的帶寬，又擁有很好的抗噪性。
2.2.4 電力線
家用電線是電力線的另一個例子。電力線把電能傳送到千家萬戶，室内的電線又把電能分布到每個電源插座。
電力線使用友善，但發送資料非常糟糕。
2.2.5 光纖
高速率和長距離通用
長距離ISP鍊路，光纖到戶
光在很長很薄的玻璃絲中傳輸
三個關鍵部件：光源、傳輸媒體和探測器
單模光纖
單模光纖價格較為昂貴，因為芯很窄（10UM）光甚至不能反彈。
目前可用的單模光纖可以100Gbps的速率傳輸資料到100千米而不用放大器。
多模光纖
其他主要類型的纖維
光可以彈跳（50μm芯）
與LED一起用于更便宜、更短距離的鍊路
Core--芯 Cladding--包套 Jacket--封套 Sheath--護套
電線和纖維性能比較：
2.5 數字調制與多路複用
為了發送數字資訊，我們必須設計模拟信号來表示比特。比特和信号之間的轉換過程稱為數字調制。
基帶傳輸：信号的傳輸占傳輸媒體上從零到最大值之間的全部頻率。
基帶傳輸是有線媒體普遍使用的方法。
通帶傳輸：信号占據了以載波信号頻率為中心的一段頻帶。
通帶傳輸是無線和光纖信道最常使用的調制方法。
複用方案在使用者之間共享信道。
2.5.1 基帶傳輸
數字調制最直接的形式是用正電壓表示1，用負電壓表示0。對光纖而言，可用光的存在表示1，沒有光表示0。這種編碼方式稱為不歸零（NRZ）。
（a）比特流（b）不歸零NRZ（c）不歸零逆轉NRZI（d）曼徹斯特（時鐘信号與比特XOR）e）二級編碼（AMI同樣）
時鐘恢複
為了解碼符号，信号需要足夠的轉換。否則，一長串的0（或1）會混淆，例如：
由于很難區分這些比特，因為15個零看起來像16個零，除非你有一個精确的時鐘。将時鐘信号與資料信号混合，進而不需要額外的線路。
政策1：
曼徹斯特編碼，混合資料信号和時鐘信号。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信号，又作資料信号；從低到高跳變表示“1”，從高到低跳變表示“0”。
政策2：4B/5B，每4個比特被映射成5比特模式，如何映射如下表所示：:
| Data | Code | Data | Code | Data | Code | Data | Code |
| 0000 | 11110 | 0100 | 01010 | 1000 | 10010 | 1100 | 11010 |
| 0001 | 01001 | 0101 | 01011 | 1001 | 10011 | 1101 | 11011 |
| 0010 | 10100 | 0110 | 01110 | 1010 | 10110 | 1110 | 11100 |
| 0011 | 10101 | 0111 | 01111 | 1011 | 10111 | 1111 | 11101 |
政策3：這種編碼方式稱為擾頻/倒頻（scrambling）。在這種情況下，可能會出現頻繁的信号轉換。擾頻器（scrambler）的工作原理是在發送資料之前，用一個僞随機序列異或（XORing）該資料。這種混合操作使得資料像僞随機序列一樣随機。然後接收器用相同的僞随機序列對入境資料進行異或操作，由此恢複出真正的資料。
2.5.2 通帶傳輸
我們在一個信道上發送資訊所使用的頻率範圍并不是從零開始的。即使是電線，把信号放置在一個給定的頻帶上非常有用，因為這樣在信道上可以允許不同信号的共存。這類傳輸稱為通帶傳輸（passband transmission），因為任意的一個頻率波段都可用來傳遞信号。
通常情況下，振幅和相位可以結合起來一起調制。下圖給出了4個執行個體.在每個例子中，黑點給出了每個符号合法的振幅和相位結合。
在QPSK調制模式中我們看到45°、135°、225°和315°處都有等距離的點。一個點的相位是以它為起點到原點的線與x正軸之間的角度來表示，一個點的振幅則是該點到原點的距離。
這種類型的圖稱為星座圖（constellation diagram）。在QAM-16調制模式中我們看到一個密集星座的調制方案。該方案使用了振幅和相位的16種組合，是以可用每個符号傳輸4個比特。QAM表示正交調幅。在QAM-64調制模式是個更加密集的調制方案，共使用了振幅和相位的64種不同的組合，是以每個符号可傳輸6個比特。
我們迄今所看到的星座圖沒有說明如何位符号配置設定比特。在如何決定配置設定時，一個重要的考慮是接受器的少量突發噪音會不會導緻許多比特出錯。如果我們把連續的比特值配置設定給相鄰的符号，這種情況就可能發生。
一種解決方案是把比特影射到符号，使得相鄰的兩個符号隻有1個比特的位置不同。這種編碼方式叫格雷編碼（Gray code），它将比特配置設定給符号，這樣小的符号錯誤會導緻很少的位錯誤：
2.5.3 頻分複用
FDM（頻分複用）利用同代傳輸的優勢，使多個使用者共享一個信道。通過将使用者放置在不同的頻率上共享信道：
Channel---信道 Attenuation factor---衰減因子 Frequency---頻率
正交頻分複用（OFDM）中信道帶寬被分成許多獨立發送資料的子載波（例如QAM）。OFDM是一種用于802.11、4G蜂窩和其它通信的高效FDM技術。
2.5.4 時分複用
時分多路複用（TDM）共享信道随時間變化：
使用者輪流使用固定的排程；這不是分組交換或STDM（統計TDM）。
廣泛應用于電話/蜂窩系統
2.5.5 碼分複用
碼分複用（CDM）是擴充頻譜（spread spectrum）通信的一種形式，它把一個窄帶信号擴充到一個很寬的頻帶上。
碼分多址（CDMA）通過給使用者提供代碼共享信道
所有的碼片序列（chip sequence）都兩兩正交，可以同時發送。
廣泛用作3G網絡的一部分
我們來看一個類似的場景:在一個機場候機大廳裡,許多人正在兩兩交談。TDM可以看作是所有的人都聚集在大廳裡按順序進行交談；FDM可以看作是大廳裡的人以不同的語調交談,某些語調高些,某些語調低些,所有的交談可同時進行并互相獨立。CDMA可以看作是大廳裡的每一對交談使用不同的語言。講法語的這一對在談論有關法國的事情,并且把所有與法國無關的内容都當作噪聲拒絕掉。是以,CDMA的關鍵在于:能夠提取出期望的信号,同時拒絕所有其他的信号,并把這些信号當作噪聲。