计算机网络原理总结（英文版 第五版）
二、物理层
1.其他层建立的基础
电线、光纤、无线的性能限制了网络能做什么
2.关键问题是只使用（模拟）信号发送（数字）位。
这叫做调制信号。
2.1 数据通信的理论基础
2.1.3 信道的最大数据速率
尼奎斯特（Henry Nyquist）意识到，即使是完美的信道也具有有限的传输容量。他导出了一个有限带宽无噪声信道的最大数据速率表达式。
尼奎斯特（Nyquist）定理将数据速率与带宽（B）和信号离散等级的数目（V）联系起来：
Max. data rate = 2B log2V bits/sec
例如，无噪声的3-kHz信道不能以超过6kbps的速率传输二进制（只有2级的）信号。
现在为止，我们只考虑了无噪声信道。如果存在随机噪声，情况会急剧的恶化。并且，由于系统中分子的运动，随机（热）噪声总是存在。热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来测量，这样的比值称为信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio），如果我们将信号功率记作S，噪声功率记作N，则信噪比为S/N。
该比率表示成对数形式是为10log10S/N。对数的取值单位称为分贝（DB）。
例：10的信噪比10分贝，100的信噪比为20分贝。
香农（Shannon）定理将数据速率与带宽（B）和信号强度（S）相关，相对于噪声（N），其最大数据速率或容量是：
Max. data rate = B log2(1 + S/N) bits/sec
这结论告诉了我们实际信道能获得的最大容量。例如，在普通电话线上提供访问Internet的ADSL网使用了大约1MHz的带宽。线路上信噪比的程度取决于住宅和电话交换局之间的距离，对于1~2千米的短距离来说40dB的信噪比算是非常好的情况了。
无论采用多少个信号等级，也不管采样频率有多快,信道可以不超过13Mbps的数据率。（甚至实际上只有12Mbps）
尼奎斯特公式用于无噪环境，香农公式用于有噪环境。
2.2 引导性传输介质
每一种传输介质都有独特的性质，体现在带宽、延迟、成本以及安装和维护难易程度上的不同，因此分别有自己适用的场合。大致上可以将介质分为引导性介质（也称有线介质，比如铜线和光纤）和非引导性介质（也称为无限介质，比如地面无线电、卫星和激光）两大类。
介质具有不同的性质，因此性能也不同
现实检验
存储介质 »
电线：
双绞线 »
同轴电缆 »
电力线 »
光纤电缆
2.2.1 磁介质
磁带/磁盘/ DVD在高带宽链路上发送数据
比如说有一个1000个 800 GB磁带的盒子，因此盒子的总容量为800TB，或者6400Tb。通过快递公司，在24小时之内将这一盒磁带快递到美国任何一个地方。这样一次传输的有效带宽是6400Tb/86400秒，数据速率为70Gbps。如果只需一个小时，则有效带宽将超过1700Gbps。到目前为止，还没有一个计算机网络能接近这样的传输能力。
尽管磁带具有优良的带宽特性，但其延迟特性却很差。
2.2.2 双绞线
非常普遍；用于局域网，电话线路
之所以将两根铜线缠绕在一起，是因两根平行的线会构成一个很好的天线。当两根线绞在一起后，不同电线产生的干扰波会相互抵消，从而能显著降低电线的辐射信号（干扰）。
有四对双绞线的5类UTP
双绞线可用于传输模拟信号或数字信号。带宽取决于导线的厚度（直径）和传输距离。但在许多情况下，双绞线传输几千米的距离可以达到几Mbps的带宽。
不同的局域网标准或许使用不同的双绞线。例如：100Mbps以太网使用两对，每个方向一对。为了达到高速，1-Gbps以太网同时使用所有四个对。
链接术语：
全双工链路（full-deplex）：可以双向同时使用的链路。
半双工链路（half-deplex）：可以双向使用，但一次只能使用一个方向的链路。
单工链路（simplex）：只允许一个方向上传输的链路。
非屏蔽双绞线（UTF，Unshielded Twisted Pair）：仅由导线和绝缘层简单的构成。
2.2.3 同轴电缆
过去，同轴电缆被广泛地应用于长途电话系统，但现在大部分长途干线已经被光纤所取代。即使如此，同轴电缆仍是有线电视和计算机城域网的常用传输介质。
同轴电缆比非屏蔽双绞线有更好的屏蔽特性和更大的带宽，所以他能以很高的速率传输相当长的距离。
铜芯 绝缘材料 编制外层导体 保护塑料外套
同轴电缆的结构和屏蔽性使得它及有很高的带宽，又拥有很好的抗噪性。
2.2.4 电力线
家用电线是电力线的另一个例子。电力线把电能传送到千家万户，室内的电线又把电能分布到每个电源插座。
电力线使用方便，但发送数据非常糟糕。
2.2.5 光纤
高速率和长距离通用
长距离ISP链路，光纤到户
光在很长很薄的玻璃丝中传输
三个关键部件：光源、传输介质和探测器
单模光纤
单模光纤价格较为昂贵，因为芯很窄（10UM）光甚至不能反弹。
目前可用的单模光纤可以100Gbps的速率传输数据到100千米而不用放大器。
多模光纤
其他主要类型的纤维
光可以弹跳（50μm芯）
与LED一起用于更便宜、更短距离的链路
Core--芯 Cladding--包套 Jacket--封套 Sheath--护套
电线和纤维性能比较：
2.5 数字调制与多路复用
为了发送数字信息，我们必须设计模拟信号来表示比特。比特和信号之间的转换过程称为数字调制。
基带传输：信号的传输占传输介质上从零到最大值之间的全部频率。
基带传输是有线介质普遍使用的方法。
通带传输：信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带。
通带传输是无线和光纤信道最常使用的调制方法。
复用方案在用户之间共享信道。
2.5.1 基带传输
数字调制最直接的形式是用正电压表示1，用负电压表示0。对光纤而言，可用光的存在表示1，没有光表示0。这种编码方式称为不归零（NRZ）。
（a）比特流（b）不归零NRZ（c）不归零逆转NRZI（d）曼彻斯特（时钟信号与比特XOR）e）二级编码（AMI同样）
时钟恢复
为了解码符号，信号需要足够的转换。否则，一长串的0（或1）会混淆，例如：
由于很难区分这些比特，因为15个零看起来像16个零，除非你有一个精确的时钟。将时钟信号与数据信号混合，从而不需要额外的线路。
策略1：
曼彻斯特编码，混合数据信号和时钟信号。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从低到高跳变表示“1”，从高到低跳变表示“0”。
策略2：4B/5B，每4个比特被映射成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 |
策略3：这种编码方式称为扰频/倒频（scrambling）。在这种情况下，可能会出现频繁的信号转换。扰频器（scrambler）的工作原理是在发送数据之前，用一个伪随机序列异或（XORing）该数据。这种混合操作使得数据像伪随机序列一样随机。然后接收器用相同的伪随机序列对入境数据进行异或操作，由此恢复出真正的数据。
2.5.2 通带传输
我们在一个信道上发送信息所使用的频率范围并不是从零开始的。即使是电线，把信号放置在一个给定的频带上非常有用，因为这样在信道上可以允许不同信号的共存。这类传输称为通带传输（passband transmission），因为任意的一个频率波段都可用来传递信号。
通常情况下，振幅和相位可以结合起来一起调制。下图给出了4个实例.在每个例子中，黑点给出了每个符号合法的振幅和相位结合。
在QPSK调制模式中我们看到45°、135°、225°和315°处都有等距离的点。一个点的相位是以它为起点到原点的线与x正轴之间的角度来表示，一个点的振幅则是该点到原点的距离。
这种类型的图称为星座图（constellation diagram）。在QAM-16调制模式中我们看到一个密集星座的调制方案。该方案使用了振幅和相位的16种组合，因此可用每个符号传输4个比特。QAM表示正交调幅。在QAM-64调制模式是个更加密集的调制方案，共使用了振幅和相位的64种不同的组合，因此每个符号可传输6个比特。
我们迄今所看到的星座图没有说明如何位符号分配比特。在如何决定分配时，一个重要的考虑是接受器的少量突发噪音会不会导致许多比特出错。如果我们把连续的比特值分配给相邻的符号，这种情况就可能发生。
一种解决方案是把比特影射到符号，使得相邻的两个符号只有1个比特的位置不同。这种编码方式叫格雷编码（Gray code），它将比特分配给符号，这样小的符号错误会导致很少的位错误：
2.5.3 频分复用
FDM（频分复用）利用同代传输的优势，使多个用户共享一个信道。通过将用户放置在不同的频率上共享信道：
Channel---信道 Attenuation factor---衰减因子 Frequency---频率
正交频分复用（OFDM）中信道带宽被分成许多独立发送数据的子载波（例如QAM）。OFDM是一种用于802.11、4G蜂窝和其它通信的高效FDM技术。
2.5.4 时分复用
时分多路复用（TDM）共享信道随时间变化：
用户轮流使用固定的调度；这不是分组交换或STDM（统计TDM）。
广泛应用于电话/蜂窝系统
2.5.5 码分复用
码分复用（CDM）是扩展频谱（spread spectrum）通信的一种形式，它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。
码分多址（CDMA）通过给用户提供代码共享信道
所有的码片序列（chip sequence）都两两正交，可以同时发送。
广泛用作3G网络的一部分
我们来看一个类似的场景:在一个机场候机大厅里,许多人正在两两交谈。TDM可以看作是所有的人都聚集在大厅里按顺序进行交谈；FDM可以看作是大厅里的人以不同的语调交谈,某些语调高些,某些语调低些,所有的交谈可同时进行并相互独立。CDMA可以看作是大厅里的每一对交谈使用不同的语言。讲法语的这一对在谈论有关法国的事情,并且把所有与法国无关的内容都当作噪声拒绝掉。因此,CDMA的关键在于:能够提取出期望的信号,同时拒绝所有其他的信号,并把这些信号当作噪声。