计算机网络—物理层

物理层

物理层的基本概念

• 用于物理层的协议也称为物理层规程。
• 可以将物理层的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   指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电器特性   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的意义。
  • 过程特性   指明对不同功能的各种事件出现的顺序。

数据通信的基础知识

数据通信的模型

• 一个数据通信系统可以划分为三大部分：
  • 源系统（或发送方、发送端）
    • 源点  源点设备产生要传输的数据
    • 发送器  通常源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。
  • 传输系统（或传输网络）
  • 目的系统（或接收端、接收方）
    • 接收器  接收传输系统传送过来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理的信息。
    • 终点  终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。
• 数据通信要素的常用术语：
  • 通信的目的是传送消息
  • 数据是运送消息的实体
  • 信号则是数据的电器或电磁表现
    • 模拟信号（连续信号）代表参数的取值是连续的。
    • 数字信号（离散信号）代表参数的取值是离散的。

有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

• 从双方信息交互的方式来看，可以分为以下三类：
  • 单向通信（单工通信），即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），即通信双方都可以发送消息，但不能双方同时发送和同时接收。
  • 双向同时通信（全双工通信），即通信的双方可以同时发送和接收消息。
• 来自信源的信号称为基带信号。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和直流分量。
• 为了解决上述基带信号的问题，必须对基带信号进行调制。
• 调制分为两类：
  • 基带调制  仅仅对基带信号的波形进行变换，使他能够与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号。又称编码。
  • 带通调制  需要使用载波调制，把基带的信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，经过载波调制过得信号称为带通信号（即仅在一定频率范围内能够通信道），而使用载波的调制称为带通调制。
• 常见的编码方式
  • 不归零制    正电平代表1，发电平代表0
  • 归零制  正脉冲代表1，负脉冲代表0
  • 曼彻斯特编码  位周期中心的向下跳变代表1，位周期的向上跳变代表0
  • 查分曼彻斯特编码  在每一位的中心始终有跳变
• 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。
  • 调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。
  • 调相（PM） 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。

信道的极限容量

• 数字通信的有点：虽然信号在信道上传输时会不可避免的产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形就能识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。
• 限制码元在信道上传输熟虑的因素有一下两个：
  • 信道能通过得频率范围
    • 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，传输速率超过上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（识别），称为不可能。
    • 在接收端收到的信号失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫码间串扰
  • 信噪比
    • 所谓信噪比就是信号平均功率和噪声的平均功率执笔，常记为S/N，单位为分贝（dB）。

    • 

    • 香农公式指出信道的极限信息传输速率C是：

    • 

    • 香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输的速率就越高。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。
    • 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元的传输速率也达到了上限值，还可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

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，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
• 传输媒体可分为两大类
  • 导引型传输媒体
  • 非导引型传输媒体

导引型传输媒体

• 双绞线
  • 把两根相互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（无屏蔽，UTP）。
  • 从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路。
  • 通信距离一般为几到几十公里。
  • 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，这就是屏蔽双绞线（STP）。
• 同轴电缆
  • 同轴电缆由内导体铜质芯线（单股是实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。
• 光缆
  • 光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。
  • 光纤的分类：
    • 多模光纤  只适合近距离传输
    • 单模光纤  适合远距离传输
  • 光纤的优点：
    • 传输损耗小，中继距离长。
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无串音干扰，保密性好，也不容易被窃听或截取数据。
    • 体积小，重量轻。
• 架空明线

非导引型传输媒体

• 传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。
  • 微波接力通信的优点是：
    • 微波波段频率很高，因此其通信信道的容量很大。
    • 传输质量较高
    • 通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
  • 微波接力通信的缺点有：
    • 相邻站之间必须直视，不能有障碍物。
    • 会受到恶劣天气的影响
    • 与电缆系统相比，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
    • 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
  • 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关
  • 卫星通信的另一特点是具有较大的传播时延。

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

• 频分复用FDM
  • 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。
  • 频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。
• 时分复用TDM
  • 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序。时分复用的所用用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

• 统计时分复用STDM
  • 统计时分复用是一种改进的时分复用，它能明显提高信道的利用率。
  • 统计时分复用帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是STDM必须要有的和不可避免的一些开销。

波分复用WDM

• 波分复用就是光的频分复用。
• 波分复用就是在一根光纤上复用多路光载波信号。
• 在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号，被称为密集波分复用DWDM。

码分复用CDM

• CDM是另一种共享信道的方法，实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA。
• 没一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
• CDMA的优点：
  • 提高通信的语音质量和数据传输的可靠性
  • 减少干扰对通信的影响
  • 增大通信系统的容量
  • 降低手机的平均发射功率
• CDMA的工作原理：
  • 在CDMA中，每一个bit时间再划分为m个短的间隔，称为码片。假设m=8.
  • 使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的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0，则发送该码片序列的反码。为了方便，按照惯例将码片序列中的1写为+1,0写为-1.
  • 现假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每个比特要转换为m个比特的码片，因此S站实际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的m倍。这种通信方式是扩频通信中的一种。码片序列属于直接序列扩频DSSS，另一类是调频扩频FHSS。

数字传输系统

• 早期的数字传输系统的缺点：
  • 速度标准不统一
  • 不是同步传输
• 为了解决上述问题，推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET。
  • SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路熟虑等级结构，其传输速率以51.84Mbit/s为基础，大约对应于T3/E3的传输速率。
    • 此速率对电信号称为第一级同步传送信号STS-1
    • 对光信号则称为第一级光载波OC-1
• ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH
• 一般可以认为SDH和SONET是同义词，但是主要不同点是：SDH的基本速率是155.52Mbit/s，称为第一级同步传递模块。

宽带接入技术

2015年1月，美国联邦通信委员会FCC又对接入网的“宽带”进行了重新定义，将原定的宽带下行速率上调至25Mbit/s，原定的宽带上行速率调整至3Mbit/s。

ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
• 由于用户在上网时主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不大，因此ADSL的下行带宽一般都大于上行带宽。“非对称”就来源于此。

光纤同轴混合网（HFC网）

• 光纤同轴混合网是在目前覆盖面积很广的有限电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。
• 为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤节点。

FTTx技术

• 光纤到户FTTH
  • 所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭，只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。
  • 光纤到户的问题：
    • 价格不够便宜
    • 普通家庭并没有这么高的数据要求
• 在考虑到FTTH的问题情况下出现了FTTx。
  • 这里的x可以代表不同的光纤接入点。实际上FTTx就是把光电转换的地方从用户加重向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。
• 为了有效利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN，使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。
• 无源的光配线网常称为无源光网络PON，无源表明在光配线网中无须配备电源。
• 无源光网络PON的种类很多，但最流行的有以下两种：
  • 以太网无源光网络EPON
  • 吉比特无源光网络GPON