計算機網(wǎng)絡-物理層

主要功能：提供透明的比特流傳輸

注意：1.封裝好的數(shù)據(jù)以“0废亭，1”比特流的形式進行傳遞。

?????????? 2.物理層的傳輸不關心比特流攜帶的信息砌左，只關心比特流的正確搬運

物理層的四大特性：

1.機械特性：指明接口所有接線器的形狀燃辖、尺寸、引腳數(shù)和排列等咐柜。

2.電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓范圍。

3.功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義攘残。

4.規(guī)程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序（類似于協(xié)議）拙友。

物理層上數(shù)據(jù)的傳輸：信號（數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn)）

模擬信號：對應時域的信號取值是連續(xù)的。

數(shù)字信號：對應時域的信號取值是離散的歼郭。

碼元：代表不同離散值的基本波形（在數(shù)字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數(shù)字遗契，這樣的時間間隔內(nèi)的信號稱為(二進制）碼元）。

信號在信道/傳輸介質(zhì)上傳輸：信號在傳輸?shù)倪^程中病曾，可以看成由很多不同頻率的分量的傳輸牍蜂，由于高頻分量的不等量衰減，接收方收到的信號是衰減和變形（失真）的泰涂，一般來說鲫竞，從0-fc這一頻段，振幅在傳輸過程中不會明顯衰減负敏，fc稱為截止頻率（單位赫茲）贡茅。

物理帶寬：傳輸過程中振幅不會明顯衰減的頻率范圍，單位赫茲。是一種物理特性顶考，通常取決于介質(zhì)材料的構(gòu)成赁还、長度、厚度驹沿。

數(shù)字帶寬：單位時間內(nèi)流經(jīng)的信息總量艘策。

物理帶寬和數(shù)字帶寬的關系：奈奎斯特定理、香農(nóng)定理渊季。

奈奎斯特定理（理想信道）：在無噪聲信道中朋蔫，當物理帶寬為BHz，信號離散等級為V級却汉，那么該信道能提供的最大傳輸速率（數(shù)字帶寬）為

????????????????????????????????? $最大傳輸速率=2Blog_{2} V(bps)$

任意一個信號通過一個物理帶寬為B的低通濾波器驯妄，只要進行每秒2B次的采樣就可以完全重構(gòu)出被濾掉的信號（任何高于2B次的采樣都毫無意義）。

香農(nóng)定理：在噪聲信道中合砂，如果物理帶寬為BHz青扔，信噪比為S/N，那么最大傳輸速率（數(shù)字帶寬）為：

????????????????????????????? $最大傳輸速率=Blog_{2} (1+\frac{S}{N} )(bps)$
很多情況下翩伪，噪聲用分貝(db)表示

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? $分貝值=10log_{10} \frac{S}{N} (db)$

在信道一定時微猖，物理帶寬確定，要想提高最大傳輸速率（數(shù)字帶寬）缘屹，只有增加信噪比凛剥。

傳輸介質(zhì)

根據(jù)是否有形，可分為引導性（有線轻姿，包括銅線犁珠、光纖等）和非引導性（無線，包括無線電互亮、衛(wèi)星等）盲憎。

引導性傳輸介質(zhì)：

1.同軸電纜

基帶同軸電纜：50 $\Omega$ ，用于數(shù)字傳輸（屏蔽層為銅）

寬帶同軸電纜：75 $\Omega$ 胳挎，用于模擬傳輸（屏蔽層為鋁）

2.雙絞線

由兩根具有絕緣層的銅導線按照一定密度，逆時針絞合而成溺森∧脚溃可以消除近端串擾。絞距越小屏积、越均勻医窿，抵消效果越好，傳輸性能越小炊林。

非屏蔽雙絞線（UTP）：用于局域網(wǎng)姥卢。成本低、尺寸小、便于安裝独榴，但易受干擾僧叉，傳輸性能和距離受到絞距的影響。

屏蔽雙絞線（STP）：抗EMI棺榔、RFI干擾瓶堕，但成本高、安裝不易症歇。

網(wǎng)屏式雙絞線（ScTP）：在成本和抗干擾之間做了折中郎笆。

直通線：線兩頭的線序一致（比如連接交換機和PC）。

交叉線：不一致（比如連接兩臺路由器）忘晤。

3.電力線

4.光纖（光導纖維）

由極細的玻璃纖維構(gòu)成宛蚓，把光封閉在其中沿軸向進行傳播。玻璃覆蓋層的折射率比玻璃芯低设塔，以保證光都被限制在玻璃芯內(nèi)凄吏。光纖的工作原理是光的全反射。優(yōu)點有重量輕壹置、損耗小竞思、不受電磁輻射干擾、傳輸頻帶寬钞护、通信容量大盖喷，缺點有昂貴、易斷裂难咕。通常以光纜的形式存在课梳，主要用于干線。

單模光纖：單一模式傳輸余佃，激光產(chǎn)生的單束光暮刃。

多模光纖：以多個模式同時傳輸，LED產(chǎn)生的多束光爆土。

光傳輸系統(tǒng)組成：光源（LED和激光）椭懊，傳輸介質(zhì)（光纖），探測器步势。

光纖和銅線的比較：光纖帶寬高氧猬、距離遠、損耗低坏瘩、重量輕盅抚、無電磁干擾和射頻干擾、防竊聽倔矾，端口設備昂貴妄均。

選擇傳輸介質(zhì)：傳輸速率柱锹、成本要求、周圍環(huán)境丰包、介質(zhì)間的互操作性和相容性禁熏、最優(yōu)性價比。

復用技術

頻分多路復用（FDM）：在干線的起點烫沙，信道的頻譜被分成若干段（子帶）匹层，每個用戶占用一段來傳輸自己的信號。到了干線終點锌蓄，每個子帶的信號被單獨分離出來給各個用戶升筏。相鄰用戶使用的頻帶之間通常有一定帶寬，以免混淆瘸爽，這個頻段被稱為保護帶您访。

正交頻分多路復用（OFDM）：可以更好的利用帶寬。沒有保護帶剪决，且子帶之間相互重疊灵汪，同樣的干線可以承載更多的用戶。

波分多路復用（WDM）：本質(zhì)和FDM一樣柑潦，在光纖上復用信號享言，按照不同波長分離。當相鄰波長間隔很近渗鬼，子信道數(shù)目非常大览露，即為密集波分多路復用（DWDM）。

時分多路復用（TDM）：在時間上共享信道譬胎，將時間分為非常短的時間片差牛。要求時間上必須同步，為了適應時鐘的微小變化堰乔，可能要求增加保護時間間隔偏化。各用戶需要的帶寬不均衡，而TDM用戶時間片的使用卻是一樣的镐侯，將造成信道的浪費侦讨，不高效。

統(tǒng)計時分多路復用（STDM）：動態(tài)分配信道苟翻，不使用信道的用戶不分配搭伤，分給有需要的用戶使用，利用率可提高2-4倍（按需分配）袜瞬。通常只在高速遠程通信中使用，如ATM身堡，不適用于用戶平均使用信道的情況邓尤。

碼分多路復用技術（CDMA）：一種擴展頻譜技術。允許每個站利用整個頻段發(fā)送信號，且沒有時間限制汞扎。CDMA的關鍵在于能夠提取出需要的信號季稳，同時拒絕所有其他信號，并把這些信號當做噪聲澈魄。在CDMA中景鼠，每個比特時間被細分成m個更短的時間間隔，這更短的時間間隔被稱為碼片痹扇，通常每個比特被分為64或128個铛漓。碼片序列是正交的，所以可以同時傳輸鲫构，廣泛用于3G網(wǎng)絡通信浓恶。

調(diào)制技術

調(diào)制機制使用信號來傳輸比特。

基帶傳輸：信號的傳輸占據(jù)傳輸介質(zhì)從零到最大值的所有頻率结笨。直接將數(shù)據(jù)比特轉(zhuǎn)化為信號包晰。

線路編碼（Line Codes）：發(fā)送symbols（樣本、符號）炕吸，一個樣本可傳送一個或多個比特伐憾。如，不歸零（NRZ赫模，高電平1树肃，低電平0），不歸零逆轉(zhuǎn)（NRZI嘴瓤，在比特時間的中間做電壓的跳變表示1扫外，無跳變表示0），曼徹斯特（在比特時間中間廓脆，電壓從高跳變到低表示1筛谚，從低跳變到高表示0），雙極編碼（交替標記逆轉(zhuǎn)AMI停忿，兩極電壓的交替出現(xiàn)表示1驾讲，不出現(xiàn)表示0，實現(xiàn)了信號的平衡）席赂，4B/5B（4比特數(shù)據(jù)被映射為1個5比特模式）

通帶傳輸：通過調(diào)節(jié)信號的振幅吮铭、相位、頻率來傳輸比特颅停。信號占據(jù)了以載波信號為中心的一段頻帶谓晌。

將調(diào)制模式綜合使用，可獲得更多的信號模式癞揉≈饺猓可以用信號星座圖來表示某種調(diào)制方式中信號的呈現(xiàn)模式溺欧。

如QAM-16

QAM ——— 正交振幅調(diào)制

16 ——— 調(diào)制方式中有16種不同振幅和相位的信號組合模式

意味著一個符號可以傳輸4個比特

碼元：承載信息量的基本信號單位。

波特率（或碼率）：一秒鐘能夠發(fā)送的碼元的個數(shù)柏肪，代表每秒鐘信號變化的次數(shù)姐刁，也可以叫做符號率，采樣率烦味。

比特率：也可叫做位傳輸率聂使、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)字帶寬谬俄。

比特率和波特率之間的關系： $C=Blog_{2} n$ ?? (C-比特率柏靶，B-波特率，n-信號呈現(xiàn)的個數(shù)）凤瘦。

格子架編碼調(diào)制（TCM）：為了降低高速調(diào)制的錯誤宿礁，在每個樣本中采用一些額外的位用作糾錯，剩下的位才用于傳輸數(shù)據(jù)蔬芥。

公共交換電話網(wǎng)絡PSTN

任務：傳遞人類的語音

計算機網(wǎng)絡的目標：傳輸數(shù)據(jù)

PSTN的主要構(gòu)成：

1.本地回路（Local loops）：模擬線路梆靖，連接端局和千家萬戶或業(yè)務部門。傳輸?shù)氖悄M信號笔诵，通過調(diào)制解調(diào)器（Modem返吻，貓，用于將計算機產(chǎn)生的數(shù)字比特流轉(zhuǎn)變?yōu)檩d波輸出（模擬信號））轉(zhuǎn)化數(shù)字信號乎婿。

光纖到戶（FTTH）：光進銅退测僵。

2.干線（Trunks）：數(shù)字光纖，連接交換局谢翎。多路復用捍靠。編解碼器（codec，將模擬信號數(shù)字化或者反過來森逮，用到脈沖編碼調(diào)制PCM技術榨婆，一種將模擬信號數(shù)字化的技術，構(gòu)成了現(xiàn)代PSTN的核心）

3.交換局（Switching offices）（包括端局）：語音接駁干線的場所褒侧。

PSTN的交換技術：

1.電路交換：傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)良风。建立一條端到端的通路，數(shù)據(jù)沿著通道按順序送達闷供，數(shù)據(jù)傳輸完成后烟央，拆除連接

2.包交換（分組交換）：IP電話數(shù)據(jù)業(yè)務。允許包/分組存儲在交換局的內(nèi)存里歪脏，限制包/分組的大小疑俭，每一個包攜帶目的地址、信息（獨立尋徑）婿失，每個包可能亂序送達钞艇。

兩者比較：帶寬的分配形式不同（包交換的按需分配鬼贱，電路交換是提前分配），容錯能力的不同（分組交換更強香璃，因為分組交換是獨立尋徑，當交換設備癱瘓舟误，包可繞道而行葡秒，具有更好的容錯能力和抗毀性能），有無交換順序的不同（包交換是亂序到達嵌溢，電路交換是先發(fā)先到眯牧，接收方無需排序），收費方法不同（包交換按流量計費赖草，電路交換按時間計費）

物理層設備

被動（無源）部件/設備：插線板学少、插頭、電源秧骑、電纜版确。最重要的是RJ45的插座和水晶頭

主動（有源）部件/設備：

1.收發(fā)器（Transceiver，MAU）：將一種形式的信號轉(zhuǎn)變成另一種信號乎折，早期是一個外設绒疗，現(xiàn)在是網(wǎng)卡上的部件，主要負責收發(fā)信號骂澄。

2.中繼器（Reapter）：主要功能是再生信號（去噪吓蘑、放大），讓線纜可以延伸的更遠坟冲，突破UTP100米的傳輸限制磨镶。中繼器不能過濾（filter，是指設備以一定特征來屏蔽網(wǎng)絡流量健提，并根據(jù)標準確定將流量轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄）流量琳猫，

3.集線器（Hub）：多端口的中繼器，主要功能是再生信號（去噪矩桂、放大）沸移，集線器上的多端口，允許很多設備連上來侄榴，作為星型拓撲的中心雹锣。不能過濾交通流量。廣播（泛洪癞蚕，從除了來的那個端口外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去）蕊爵。

沖突：信號的碰撞。當使用物理層設備時桦山，更多的用戶爭搶共享資源攒射，導致沖突醋旦。沖突的電氣表現(xiàn)為電壓異常、數(shù)據(jù)重傳会放。

沖突域：數(shù)據(jù)包產(chǎn)生和沖突的網(wǎng)絡區(qū)域饲齐，即共享介質(zhì)的區(qū)域。沖突域越大咧最，沖突發(fā)生的可能性越大捂人，網(wǎng)絡性能越低。