物理层

1.物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务为：确定传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性：接口形状、大小、引线数目
• 电气特性：规定电压范围（-5V~+5V）
• 功能特性：规定-5V表示0，+5V表示1
• 过程特性（规程特性）：规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.数据通信的基础知识

典型的数据通信模型：

两个计算机之间通过交换机通信时直接使用数字比特流，没有通过调制解调器

相关术语：

• 数据（data）：运送消息的实体
• 信号（signal）：数据的电气或电磁的表现
• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
• 码元（code）：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元

有关信道的几个概念：

• 单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
• 半双工通信：通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送
• 全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收消息

基带信号和带通信号：

• 基带信号：来自信源的信号，发出的直接表达了要传输的信息
• 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

在传输距离较近时，基带信号的衰减不大，计算机网络都采用基带传输方式
对基带数字信号的几种调制方法：调幅、调频、调相

常用编码：

• 单极性不归零码：只用一个电压值，高电平表示1，没电压表示0
• 双极性不归零码：用等幅的正负电平分别表示1和0
• 单极性归零码：高电平表示1，没电压表示0，代表1的高电平只在码元期间内持续一段时间
• 双极性归零码：用等幅的正负电平分别表示1和0，高低电平均只在码元期间内持续一段时间

• 曼彻斯特编码：bit中间有信号跳变，低-高表示0，高-低表示1。能够携带时钟信号
• 差分曼彻斯特编码：bit中间有信号跳变，两个bit之间有信号跳变表示下一个bit为0，两个bit之间没有信号跳变表示下一个bit为1。其抗干扰性能强于曼彻斯特编码

奈氏准则：
给出了在假定的理想条件下（没有信号干扰下），为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值
如果信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

香农公式：
香农用信息论的理论推出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率$C$C可表示为：$C=W\log_{2}(1+S/N) \quad b/s$C=Wlog2​(1+S/N)b/s

• $W$W为信道的带宽（以$Hz$Hz为单位）
• $S$S为信道内所传信号的平均功率
• $N$N为信道内部的高斯噪声功率

信道的带宽$W$W或信道中的信噪比$S/N$S/N越大，则信息的极限传输速率就越高

3.物理层下面的传输媒体

• 导向传输媒体（电磁波沿着固体媒体传播）：双绞线、同轴电缆、光缆
  有线电视使用同轴电缆，网线使用双绞线
• 非导向传输媒体（电磁波在自由空间中传输，即无线传输）：短波通信、微波通信

物理层设备：

• 集线器（hub）：只在网络中起到信号放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，不具备信号的定向传送能力
  集线器是一个大的冲突域，会将接收到的信号传给其所连接的所有计算机，导致集线器上所连的计算机同时只能有两台计算机通信。集线器的带宽是所有计算机共用的。现在已经不用集线器组网了。

4.信道复用技术

• 频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽（指频率带宽）资源。例：打电话。波分复用就是光的频分复用
• 时分复用TDM：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度，每个用户所占用的时隙周期性地出现。由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道利用率不高，导致信道复用的利用率不高。
• 统计时分复用STDM：改进的时分复用，按需动态地分配时隙，每个时隙中还必须有用户的地址信息。例：交换机和交换机之间相连（统计时分复用）
• 码分复用CDM：又称码分多址CDMA。不同的用户选用不同的码型进行通信

5.数字传输系统

数字传输系统主要讲广域网之间的数据传输。
目前，长途干线大都采用时分复用的脉码调制PCM体制进行数字传输。PCM有两个互不兼容的国际标准，北美的24路（T1）和欧洲的30路（E1）。我国采用的是E1标准。

6.宽带接入技术

指网民接入Internet的技术。现在定义的宽带为：接入互联网的下行速率达到25Mbit/s，上行速率达到3Mbit/s，以后可能会对定义的速率进一步调整。
从宽带的接入媒体看，可分为有线宽带接入、无线宽带接入。下面讨论有线宽带接入，第9章讨论无线宽带接入。

1. 非对称数字用户线ADSL：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载宽带数字业务。
   标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率超过1MHz。
   ADSL技术把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
   ADSL常用的调制技术为DMT（离散多音调），采用频分复用的方法，把40kHz到1.1MHz的高端频段划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道，每个子信道4kHz带宽。
   ADSL最大的好处在于可以利用现有的电话网中的铜线，而不需要重新布线。
   
2. 光纤同轴混合网（HFC网）：在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的宽带接入网。
   HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。
3. FTTx技术：光纤到户FTTH指把光纤一直铺设到用户家庭，在光纤进入用户家门后，才把光信号转换为电信号，这样可以使用户获得最高的上网速率。